JPH0575358B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本願の主題である発明は、米国エネルギー省と
の契約の基に創造されたもである。

本発明は、総量計を用いて中性子フルエンスを
監視することに係わり、さらに詳しくは、中性子
線量測定の目的で核分裂レート（率）測定中にお
ける妨害性核分裂同位体の「バーン・イン
（burn−in）」もしくは内部成長について補正する
方法に関する。

米国原子力委員会により定められた基準によれ
ば、原子炉の冷却材圧力バウンダリーは、運転、
保守、試験及び想定される事故状態下で応力を受
けた場合に該圧力バウンダリーが非脆性挙動を示
すように充分な裕度を有し、然も迅速に伝播する
破壊の確率を最小限度にすることが要求されてい
る。これらの要求を満たすためには、原子炉容器
の全使用寿命期間中に亙り原子炉の容器に対する
放射線損傷の大きさを予測することが必要とさ
れ、一方、そのためには、圧力容器に対する中性
子照射を監視することが要求される。

核分裂中性子モニタは、しばしば、中性子線量
測定において用いられており、軽水形原子炉圧力
容器の監視に用いられるような線束スペクトル情
報を迅速に提供することができる。

中性子線量測定においては、電荷Ｚ及び質量番
号Ａの核分裂モニタは、一般に時間ｔ及び中性子
エネルギーＥの関数であるエネルギースペクトル
φ（ｔ，Ｅ）を有する中性子ビームに照射される。
この照射中、高い順位の、即ち大きい原子量のア
クチニド同位体（Z′，A′）が、核分裂中性子線量
計の（Ｚ，Ａ）同位体内に捕獲される中性子によ
り創成される。実際、中性子捕獲は同位体（Ｚ，
Ａ＋１）を発生し、次いで、崩壊過程で（Z′，
A′）同位体が生成される。但し、ここでA′＝Ａ
＋１である。

従つて、この核分裂中性子線量計で観察される
単位体積F_T毎の全核分裂数は次式で与えられる。

F_T＝F_Z,A＋B_Z′_,A′ 上式中、F_Z,Aは、同位体（Ｚ，Ａ）において発
生される単位体積当たりの核分裂数を表し、そし
てF_Z′_,A′は、同位体が照射中に内部成長する際に
該同位体（Z′，A′）によつて発生される単位体積
当たりの核分裂数を表す。量F_Z,Aが望まれる量で
あるが、実際には、F_Tが測定される。項B_Z′_,A′は、
高順位のアクチニド（Z′，A′）からの寄与分、即
ち、謂わゆる「バーン・イン」効果を表す。軽水
形原子炉圧力容器監視作業においては、この寄与
分は、「バーン・イン」効果が²³⁹Puにおける核分
裂から生ずる²³⁸U−閾値核分裂モニタにとつては
無視することはできない。実際、最近の分析が示
すところによれば²³⁸Uに対する「バーン・イン」
効果は、軽水形原子炉圧力容器環境においては約
30％のように高くなり得ることが判明している。

上に述べた情況に鑑み、核分裂中性子線量計に
おけるバーン・イン効果を効率良く且つ正確に補
正するための方法が望まれている。

発明の概要 従つて、本発明の目的は、核分裂中性子線量計
における同位体バーン・イン効果を補正するため
の方法であつて多様な幾何学的配置に適応するこ
とが可能である方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、無視し得る程度の環境に
対する擾乱しか伴わずに、現場で使用することが
可能である比較的小さい核分裂性中性子線量計に
おける同位体のバーン・イン効果を補正するため
の法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、高い感度及び高い絶
対的精度を保証する核分裂中性子線量計における
同位体バーン・イン効果を補正するための方法を
提供することにある。

本発明の更に他の目的は、バツクグラウンド効
果を量化することが可能である核分裂中性子線量
計における同位体バーン・イン効果を補正するた
めの方法を提供することにある。

最後に、本発明の目的は、極めて高い中性子フ
ルエンスにおいて測定を行うことができる核分裂
中性子線量計における同位体バーン・イン効果を
補正するための方法を提供することにある。

本発明の上に述べた目的並びに他の目的を達成
するために、本発明によれば、核分裂中性子線量
計におけるバーン・イン効果を補正するための方
法であつて、バーン・イン寄分を量化するために
２つの量即ち、バーン・インされる（内部成長す
る）（Z′，A′）同位体の量であるP_Z′_,A′並びに
（Z′，A′）同位体から造られている線量計におい
て照射の開始から発生する単位体積毎の核分裂数
であるF_Z′_,A′を測定する方法が提案される。これ
ら２つの量を測定するのに用いられるモニタは、
核分裂中性子線量計が受ける照射そのものを受け
なければならない。即ち、モニタは核分裂中性子
線量計と同じ場所を占め且つ線束−時間履歴を経
なければならない。

（Z′，A′）アイソトープのバーン・インを測定
するために、２つの固体飛跡記録分裂デポジツト
を、核分裂中性子線量計を構成する物質と全く同
じ物質から形成し、これら２つのデポジツトの量
化する。即ち、その質量及び質量密度を測定す
る。これらデポジツトの内の一方は核分裂中性子
線量計と共に照射され、他方、第２のデポジツト
はその後に、核分裂線量計におけるアクチニド不
純物の核分裂飛跡寄与分であるバツクグランドの
観察に用いられる。（Z′，A′）同位体のバーン・
イン量は第２の照射を行うことにより求められ
る。この場合、単位体積毎の核分裂絶対数を観察
するために、照射される核分裂デポジツト及び照
射されない核分裂デポジツトが固体飛跡記録線量
計において用いられる。これら２つの固体飛跡記
録計絶対測定値間の差は、中性子横断面が既知で
あるので、バーン・イン量を量化するのに用いる
ことができる。

（Z′，A′）同位体の単位容積毎の核分裂数は、
この同位体に対し特別に用意された核分裂中性子
線量計を用いて求めることができる。（Z′，A′）
核分裂線量計は、元の閾値核分裂中性子線量計と
共に照射され、その結果、同じ位置で正確に同じ
中性子線束−時間履歴を経験する。

これらの観察からB_Z′_,A′を求めるためには、中
性子場の時間依性に対する或る仮定を守らなけれ
ばならない。更に詳しくは、中性子場は、一般
に、 (1) 時間非依存性であるか、或るいは、 (2) 時間ｔ及び中性子エネルギーＥの可分関数で
ある。

原子炉照射は、しばしば、一定の出力で実施す
ることができ、その場合には、仮定(1)が妥当す
る。仮定(1)が当て嵌まらない場合には、仮定(2)が
妥当する確率が極めて高い。更に、この場合に
は、中性子場の可分時間−依存挙動を求めるため
に、原子炉出力計測系を使用できることが多い。

好適な実施例の詳細な説明 上にの述べたように、核分裂中性子線量計を、
軽水形原子炉圧力容器における監視の目的で用い
られるような中性子線量測定に適用する場合に
は、中性子場により線量計内に高順位のアクチニ
ド同位体が生成し得る。このような高順位のアク
チニド同位体も核分裂を受け、それにより、線量
計で観察される核分裂数もしくは分裂率に寄与し
得る。本発明は、このような寄与分、即ちバー
ン・インを補正するために固体飛跡記録部を利用
する新規な方法を提案するものである。

この方法においては、バーン・イン寄与を量化
する目的で２つの量が測定される。即ち、バー
ン・インされる（Z′，A′）同位体の量である
P_Z′_,A′並びに（Z′，A′）同位体内に生ずる単位体
積毎の核分裂数F_Z′_,A′が測定される。これら２つ
の量を測定するのに用いられるモニタは、核分裂
中性子線量計が受けるのと全く同じ照射を受けな
ければならない。即ち、中性子線量計と同じ位置
において同じ線束−時間履歴を経験しなければな
らない。

（Z′，A′）同位体のバーン・イン量P_Z′_,A′を測
定するために、核分裂中性子線量計を構成する物
質と全く同じ物質から２つの固体飛跡記録計核分
裂デポジツトを形成する。これら２つの固体飛跡
記録部は、次いで、デポジツトの質量及び質量密
度を正確に測定することにより量化される。これ
らデポジツトの内の１つは、核分裂中性子線量計
に対して配置することにより照射（被曝）され、
他方第２のデポジツトは後にバツクグラウンドの
観察に用いられる。（Z′，A′）同位体のバーン・
イン量P_Z′_,A′は、２回目の照射を行うことにより
決定され、この場合、単位容積毎の核分裂絶対数
を観察するために、固体飛跡記録線量計において
照射された核分裂デポジツト及び照射されていな
い核分裂デポジツトを用いる。

例えば、²³⁸U核分裂中性子線量計を用いて発生
される²³⁹Puバーン・インは、２回目の照射に熱
中性子場を用いることにより最も効率的に観察さ
れる。この場合、元の核分裂中性子線量計物質に
生じ得る核分裂バツクグラウンドを測定するため
に第２の固体飛跡記録線量計が用いられる。これ
ら２つの固体飛跡記録部絶対測定値間の差を用い
て、²³⁹Puの量を量化することができる。と言うの
は、²³⁹Puの熱中性子断面積は既知であるからであ
る。

（Z′，A′）同位体の単位容積毎の核分裂
F_Z′_,A′は、この同位体に対して特別に製作された
分裂中性子線量計を用いて求めることができる。
例えば、この目的で、放射分析核分裂線量計を用
いることができよう。ここで、放射分析核分裂記
録計もしくは線量計とは、特定の核分裂生成同位
体の放射能を測定る線量計である。この核分裂生
成同位体の絶対放射能から、核分裂レート（率）
が求められる。この目的でまた、固体飛跡記録核
分裂線量計を用いることができよう。いずれの場
合にも、（Z′，A′）核分裂線量計は、元の閾値核
分裂中性子線量計と共に照射され、その結果、
（Z′，A′）核分裂線量計は、同じ場所で正確に同
じ中性子線束−時間履歴を経験する。

これらの観察結果からバーン・イン、即ち、既
述の式の項B_Z′_,A′を求めるためには、中性子場の
時間依存性に関する或る仮定を守らなければなら
ない。特に、中性子場は一般に、 (1) 時間非依存性であるか、或るいは (2) 時間ｔ及び中性子エネルギーＥの可分関数で
ある。

後者の場合には、項B_Z′_,A′は、時間ｔだけの関
数である関数と、中性子エネルギーだけの関数で
ある関数との２つの関数の積として表現できるな
ければならない。

原子炉の照射はしばしば、一定の出力で実施す
ることができ、この場合には、仮定(1)が妥当す
る。仮定(1)が当て嵌まらない後者の場合には、仮
定(2)が妥当する確率は極めて高い。更に、この後
者の場合には、中性子場の可分時間依存挙動を求
めるために、原子炉出力計測系記録を利用するこ
とができる。バーン・イン項B_Z′_,A′の決定におい
て、このような仮定を用いることに関し下に詳細
に論述する。

f〓_Z,A(t)及びf〓_Z′_,A′(t)を、それぞれ核毎の（Ｚ
，Ａ）
及び（Z′，A′）同位体の核分裂レートを表すもの
とする、とこれら核分裂レートは、次の形態で表
すことができる。

f〓_Z,A(t)＝∫^∞ ₀φ（ｔ，Ｅ）・σ_Z ^f，_A(E)dE (1) f〓_Z′_,A′(t)＝∫^∞ ₀φ（ｔ，Ｅ）・σ_Z′^f _A′(E)dE
(2) 上式中、σ_Z ^f，_A(E)及びσ_Z′^f，_A′(E)は、それぞれ
、
（Ｚ，Ａ）及び（Ｚ，A′）同位体の核分裂断面積
を表す。φ（ｔ，Ｅ）は一般に、時間ｔ並びに中
性子エネルギーＥに依存する中性子スペクトルを
表す。

期間τの原子炉照射の場合に、（Ｚ，Ａ）及び
（Z′，A′）同位体に発生する中性子毎の全核分裂
数F_Z,A（τ）及びF_Z′_,A′（τ）は時間ｔで式(1)及び(
2)
を積分することにより求めることができる。即
ち、 F_Z,A（τ）＝∫〓₀dt∫^∞/0φ（ｔ，Ｅ）・σ_Z ^f，_A(E
)(3) 及び、 F_Z′_,A′（τ）＝∫〓₀dt∫^∞ ₀φ（ｔ，Ｅ）・σ_Z′^f
，_A′(E)dE(4) この照射中において、P〓_Z′_,A′をバーン・イン・
レート、即ち、時点ｔにおける核分裂中性子線量
計の（Ｚ，Ａ）同位体における中性子捕獲により
創成される同位体の生成レート（率）を表すもの
とする。ここで、（Z′，A′）同位体を形成する崩
壊過程の半減期が原子炉照射時間と比較して無視
し得るものと仮定すると、この生成レート（率）
は、（Ｚ，Ａ）同位体の中性子捕獲断面積σ_Z ^c _A(E)
を用いて表すことができる。即ち、 P〓_Z′_,A′(t)＝n_Z,A∫^∞ ₀φ（ｔ，Ｅ）・σ_Z ^c，_A(E)
dE(5) 上式中、n_Z,Aは、（Ｚ，Ａ）同位体の原子数密
度を表す。尚、原子数密度は、単位容積当たりの
原子数または単位質量当たりの原子数で与えるこ
とができる。

従つて、照射期間τ中における任意時点ｔ≦τ
における同位体（Z′，A′）の生成密度P_Z′_,A′(t)は
次式で与えられる。

P_Z′_,A′(t)＝∫^t ₀P〓_Z′_,A′（t′）dt′ (6) 上式は下記のように書き換えることができる。

P_Z′_,A′(t)＝n_Z,A∫^t ₀dt′∫^∞ ₀φ（t′，Ｅ）・σ_Z
^c，_A(E)dE(7) 上式(7)は、照射期間に亙りn_Z,Aにおける損失は
無視し得ると仮定している。この仮定は通常満足
される。満足されない場合でも、ここで述べてい
る方法は有効であり、n_Z,Aの実際の時間依存性
を、式(6)を式(7)に書き換える際に考慮することが
できる。

従つて、照射中（Z′，A′）同位体のバーン・イ
ンにより生成される核分裂密度B_Z′_,A′は次のよう
に表すことができる。

B_Z′_,A′＝∫〓₀P_Z′_,A′(t)・f〓_(Z′_,A′(t)dt (8) 上式中、P_Z′_,A′(t)は式(7)により与えられるもの
でり、f〓_Z′_,A′は式(2)により与えられるものである
。

B_Z′_,A′が所望のバーン・イン項であるが、実際
に測定されるのは、照射期間τ中における（Z′，
A′）同位体の生成密度P_Z′_,A′(t)及び期間τの照射
から生ずる核毎の全核分裂数F_Z′_,A′（τ）である。
従つて、式(8)からB_Z′_,A′を観察された量P_Z′_,A′（
τ）
及びF_Z′_,A′（τ）として求めることができる条件を
検討する必要があろう。ｔに依存しない中性子場
の場合には、φ（ｔ，Ｅ）＝φ(E)であり、式(8)は次
のように表すことができる。

B_Z′_,A′＝n_Z,A・τ²／２∫^∞ ₀φ(E)・σ_Z ^c，_A(E)dE
・∫^∞ ₀φ(E)・σ_Z′^f，A′(E)dE(9) 時間に依存しない場合では、式(4)及び(7)からそ
れぞれ、 F_Z′_,A′（τ）＝τ・∫^∞ ₀φ(E)・σ_Z′^f，A′(E)dE
(10) 及び P_Z′_,A′（τ）＝n_Z,A・τ・∫^∞ ₀φ(E)・σ_Z ^c，_A(E)
dE(11) が得られる。

式(9)において、式(10)及び(11)を用いると時間に
依存しない場合について次式が得られる。

B_Z′_,A′＝１／２｛P_Z′_,A′（τ）・F_Z′_,A′（τ）
｝(12) 中性子場の可分時間依存挙動に関しては、次の
ように表すことができる。

φ（ｔ，Ｅ）＝Ｔ(t)・φ₀(E) (13) ここで時間依存項Ｔ(t)は、原子炉出力計測系の
記録から知られる。この仮定を式(8)に用いると、
次式が得られる。

B_Z′_,A′＝n_Z,A・∫〓₀Ｔ(t)〔∫^t ₀Ｔ（t′）dt′〕dt
・∫^∞ ₀φ₀(E)・σ_Z ^c，_A(E)dE・∫∽₀φ₀(E)・σ_Z′，^f
_A′(E)dE…(14) またこの仮定下で、P_Z′_,A′（τ）及びF_Z′_,A′（τ
）
はそれぞれ、 P_Z′_,A′（τ）＝n_Z,A（∫〓₀Ｔ(t)dt］
・∫^∞ ₀φ₀(E)・σ_Z ^c，_A(E)dE(15) 及び F_Z′_,A′（τ）＝（∫〓₀Ｔ(t)dt）・∫^∞ ₀φ₀(E)・
σ_Z ^f，_A(E)dE(1
６） となる。

式(14)に(15)及び(16)を用いると、バーン・イン
項は次式で表すことができる。

B_Z′_,A′＝∫〓／₀Ｔ(t)〔∫^t／₀Ｔ（t′）dt′〕dt
／〔∫〓／₀Ｔ(t)dt〕²｛P_Z′_,A′（τ）・F_Z′_,A′（
τ）｝(17) 時間依存積分を除き、式(17)は式(12)と同じ形
態である。実際、Ｔ(t)＝定数とすると、式(17)は
式(12)に還元される。更に一般的には、時間依存
積分から生ずる式(17)における係数は、可分時間
依存関数Ｔ(t)を定める既知の原子炉出力計測系測
定量を用いて評価することができる。即ち、原子
炉管制室に通常配置されている図表もしくはチヤ
ート記録装置から、原子炉照射の出力時間履歴の
記録が得られる。

上に述べた方法は、数多の他の仕方で適用する
ことができる。単位体積毎の核分裂F_Tが観察さ
れると（Ｚ，Ａ）同位体のための元核分裂モニタ
は、放射分析型或るいは固体飛跡記録型核分裂線
量計の何れとしても良い。（Z′，A′）同位体にお
ける核分裂レート（率）も、放射分析型或るいは
固体飛跡記録型核分裂線量計の何れを用いても観
察することができる。通常、特定の用途に関する
要件から、用いられる線量計の種類が決められる
であろう。例えば、無限希釈核分裂レート（率）
測定を行うことができるように、（Ｚ，Ａ）及び
（Z′，A′）同位体に対し極めて薄い固体飛跡記録
線量計を構成することができよう。従つて、共鳴
自己しや蔽が無視できない用途においては、（Ｚ，
Ａ）及び（Z′，A′）核分裂レート（率）の観察に
対しては、固体飛跡記録線量計の使用が推奨され
る。

他方、放射分析型核分裂線量計が、固体飛跡記
録に対しフルエンス制限を課することはなく、従
つて、フルエンスが非常に高い用途に対して使用
することができる。共鳴自己しや蔽が無視できな
い場合には、（Ｚ，Ａ）及び（Z′，A′）同位体の
極めて薄い固体飛跡記録デポジツトを、非常に高
いフルエンスの無限希釈核分裂レート測定のため
の放射分析線量計として用いることができる。そ
の場合、（Ｚ，Ａ）同位体の固体飛跡記録デポジ
ツトをバーン・イン項を決定するために後続の照
射で使用することができよう。

この方法は、放射分析型線量計で既に行つた核
分裂レート測定を遡及的に訂正するのにも適用す
ることができる。これは、広汎に亙る放射分析型
核分裂線量計が既に存在している軽水形原子炉圧
力容器の監視作業にとつて重要である。この場合
には、固体飛跡記録デポジツトは元の（Ｚ，Ａ）
核分裂レート測定に使用した照射済み及び未照射
の放射分析型線量計から構成される。これらデポ
ジツトを用いて、バーン・インした（Z′，A′）同
位体の量を求めることができよう。ここで、この
バーン・インの測定は、原理的に、放射分析型線
量計により導入される共鳴自己しや蔽を補償でき
ることを強調しておく必要がある。この補正を完
全にするためには元の原子炉照射に対する（Z′，
A′）同位体における核分裂レートが既知でなけ
ればならない。（Z′，A′）同位体における核分裂
レートが元の原子炉照射中に測定されなかつた場
合には、この核分裂レートは、測定か或るいは計
算により求めなければならないであろう。測定の
場合には、元のもしくは最初の照射に可能な限り
近似する放射分析型または固体飛跡記録型核分裂
線量計の第２の照射が必要となろう。いずれの場
合にも、観察された（Z′，A′）核分裂レートに
は、共鳴自己しや蔽に対する計算補正が要求され
ることになろう。

上述の方法は、放射分析型線量計測のような中
性子線量計測に用いられる受動性方法の総ての利
点を有する共に、次に述べるような利点を有す
る。

(1) 多様な幾何学的構成形態に容易に適応可能で
あること、 (2) 線量計の寸法を小さくするこができ、従つ
て、環境に対する擾乱を無視し得る程度に抑制
しつつで使用できること、 (3) 高い感度並びに高い絶対精度が実現可能であ
ること、 (4) バツクグラウンド効果を量化できること、 及び (5) 放射分析型線量計測を、照射中（Z′，A′）及
び（Ｚ，Ａ）同位体に誘起される単位体積毎の
核分裂の観察に適用できるので、測定は、極め
て高いフルエンスまで行うことができること等
である。

以上に述べた説明は、本発明の原理の単なる例
示に関するものに過ぎないと理解されたい。更
に、当該技術分野の専門家には、数多の変更及び
交換を容易に想到し得るであろうので、本発明
を、ここに述べた正確な構成及び動作に限定する
意図はないことを述べておく。従つて、適切であ
れば有らゆる変形例及び均等物は、本発明の範囲
により包摂されるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核分裂可能な同位を（Ｚ，Ａ）を用いる核分
   裂性中性子線量計におけるバーン・インを補正す
   るための方法において (a) 前記核分裂性中性子線量計と同じ核分裂可能
   な物質からなる核分裂性デポジツトを用いて２
   つの固体飛跡記録部を形成し、 (b) 前記２つの固体飛跡記録部の内の第１の記録
   部及び前記核分裂性中性子線量計を、少なくと
   も実効的に、第１の中性子フルエンスにおける
   前記固体飛跡記録部及び中性子線量計の内の１
   つの位置に関し同じ中性子線束−時間履歴で該
   第１の中性子フルエンスに被曝させ、しかる後
   に、核分裂性中性子線量計で、バーン・イン対
   して補正すべき核分裂総数F_Tを指示し、 (c) 前記２つの固体飛跡記録部を第２の中性子フ
   ルエンスで照射し、 (d) 前記２つの固体飛跡記録部における核分裂デ
   ポジツトの単位容積毎の核分裂絶対数間の差か
   ら第１の固体飛跡記録部の核分裂デポジツトに
   おける高順位の同位体（Z′，A′）のバーン・イ
   ン量（P_Z′，_A′）を求め、但し、ここでA′＞Ａ
   であり、 (e) 前記第１の中性子フルエンスに被曝中に前記
   第１の固体飛跡記録部の核分裂デポジツトにお
   ける高順位の同位体（Z′，A′）の核分裂数
   （F_Z′，A′）を求め、そして (f) 核分裂性中性子線量計によつて指示される核
   分裂総数（F_T）を前記バーン・イン量（P_Z′，
   A′）及び前記核分裂数（F_Z′A′）を用いて補正
   して、バーン・インに起因する核分裂数につい
   て補正された核分裂可能同位体の核分裂レート
   （率）に対応する値を得る段階を含む核分裂性
   中性子線量計におけるバーン・インを補正する
   ための方法。