JP4601838B2 - 燃焼度評価方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電所等の原子炉から発生する使用済み燃料の燃焼度測定方法および装置に関し、特に、大型の装置を設置することが困難な、発電所等の燃料プール内において、簡易かつ非破壊的に燃焼度を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力炉で照射された使用済み燃料集合体は、燃料プール水中で一定の期間保管し、半減期の比較的短い放射能を減衰させた後に、再処理施設や長期貯蔵施設へ輸送される。
【０００３】
貯蔵や輸送に先立って、使用済み燃料集合体の臨界安全性を確保するために、燃焼度や蓄積している核***性物質濃度などのいわゆる燃焼パラメータを評価する必要がある。そのために、燃料再処理施設には燃焼度測定装置が設置されている。この燃焼度測定装置は施設の設計段階から取り入れているため、大がかりなものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼度測定方法としては、使用済み燃料の中に蓄積している核***生成物、特にセシウム（Ｃｓ137やＣｓ134）から放出されるガンマ線を選択的に測定するガンマ線スペクトル測定法と、使用済み燃料の中に蓄積している超ウラン元素のキュリウム等から放出されている中性子を測定する中性子測定法が測定原理の大きな柱となっている。
【０００５】
ところで、近年では原子力発電所から使用済み燃料を送り出す際に、測定精度は多少劣ってもよいから、既存発電所のプールに簡単に設置して使用できる小型の燃焼度計測装置の開発が期待されている。小型の燃焼度計測装置としては、中性子検出器としては原子炉、再処理施設等の強ガンマ線場での使用実績の高い、小型の核***計数管またはＢ（ボロン）10検出器が挙げられ、またガンマ線検出器としてカドミテルル（ＣｄＴｅ）半導体検出器、冷却装置分離型高純度ゲルマニウム（Ｈｐ-Ｇｅ）検出器、シンチレータ検出器等を採用することが提案されている（たとえば特開平10−332873号公報参照）。
【０００６】
小型検出器による燃焼度測定装置は、簡易であるが、装置自体が発電所プール中という位置決め的に不安定な場所に設置されることもあり、検出器と燃料集合体間の位置を精度良く決めることは困難である。従来、再処理施設に設置されている燃焼度測定装置では燃料集合体の両側から測定を行うことにより、測定体系の位置ずれによる計数率の誤差がキャンセルされるようになっている。発電所プール用の燃焼度測定装置では、両側からの測定は装置の大型化に繋がるため好ましくない。このため、燃料集合体の片側からのみの測定を行う場合、何らかの方法で、測定体系の位置ずれを補正する必要がある。
【０００７】
ガンマ線検出器によるスペクトル測定の場合、セシウム137から発生するガンマ線とセシウム134から発生するガンマ線は、燃焼度の良い指標となる。それぞれのガンマ線は1cm程度の位置ずれで10%程度の計数率変化が生じるが、セシウム137とセシウム134のガンマ線計数率比は1cm程度の位置ずれで約2%程度しか変化しないため、ガンマ線計数率比による燃焼度算出は測定体系の位置ずれの影響を低減するのに有効である。
【０００８】
ところが、高分解能のＨｐ-Ｇｅ検出器を使用すれば、Ｃｓ134とＣｓ137を分離することができるが、Ｈｐ-Ｇｅ検出器は装置が大型であり、小型化を図るために提案されているＣｄ-Ｔｅ検出器を用いた場合、バックグラウンドガンマ線の状況によりＣｓ134とＣｓ137が十分分離できない可能性がある。また、計数率比をとる場合、燃焼度算出の誤差の中に、Ｃｓ137とＣｓ134の両方の誤差を含むことになるためどちらか一方の誤差が大きい場合、燃焼度の誤差が大きくなる。
【０００９】
中性子測定の場合、熱中性子束がピークとなり、中性子束の変化が緩やかな、燃料集合体から2〜3cm程度の場所に中性子検出器を配置することにより、位置決め誤差を低減することができるが、1cm程度のずれで3〜5%程度の計数率変化が生じ、燃焼度算出の際の誤差になる可能性がある。
燃料集合体−検出器間の距離の測定を機械的に行う方法が考えられるが、作業の煩雑さから、実際的ではない。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、その目的は、測定時の位置ずれを補正し、燃料集合体の片側からのみの測定でも、精度よく燃焼度データを得ることができる使用済み燃料集合体の燃焼度評価方法および評価装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであるが、まずその原理を説明する。
燃料集合体から発生する中性子のエネルギーは燃焼度によらず一定である。また、水中の中性子の減速曲線も水密度が変化しなければ、一定である。したがって、二つの検出器の計数率比は燃料集合体−検出器間の距離のみに依存する。熱中性子の減速曲線は、通常、燃料集合体から2〜3cmの位置でピークとなり、以降は指数関数的に減少する。
【００１２】
ピーク位置と指数関数的に減少している位置にそれぞれ中性子検出器を配置すると、ピーク位置の計数率は距離による変化が小さく、指数関数的に減少している位置の計数率は距離による変化が大きい。したがって各中性子検出器の計数率比は距離により大きく変化し、この計数率比と距離の関係を予め求めておくことにより、上記計数率比から距離を算出することが可能である。燃料集合体−中性子検出器間の距離から検出効率を算出すれば、検出器位置ずれによる中性子計数率の変化を補正できる。
【００１３】
二つの中性子検出器を燃料集合体と異なる距離に配置し、それぞれの計数率の比から、距離を算出することが可能である。前述のように、たとえば燃料集合体から2〜3cmの位置では熱中性子束の変化は緩やかで、1cmで3〜5%程度の変化である。これに対し、燃料集合体からたとえば10cm程度の位置では、熱中性子束の変化は著しく1cmで15%程度変化する。
【００１４】
ここで二つの検出器が相互に機械的に固定されて一つの検出器群をなしている場合、二つの検出器の相互距離は変化せず、燃料集合体と中性子検出器群の位置ずれのみが誤差の原因となる。上記のように燃料集合体と中性子検出器の距離がたとえば2〜3cm程度の位置と、10cm程度の位置に置いた二つの検出器の計数率比は位置に敏感で、1cm程度のずれで、10%以上の変化をする。通常、中性子検出時の測定精度は3%以下と考えられるので、3mm以内の精度で位置ずれを補正できることになる。
【００１５】
上記計数率比は燃料集合体の中性子強度に依存せず、燃料集合体と検出器間の水の密度のみに依存する。燃料プールの水温はほぼ一定に保たれているため、燃料集合体−検出器群間距離と計数率比の関係を予め計算または実験により求めておけば、上記中性子計数率比より中性子検出器群と燃料集合体間の距離を算出することができ、算出された距離を基に位置ずれを補正することができる。
【００１６】
また、従来の燃焼度測定装置においては、燃焼度既知の校正用使用済み燃料を用いて、検出器の校正を行っているが、発電所プールで燃焼度測定装置を使用する場合、常に校正用使用済み燃料を燃料プール中に置いておくのは困難である。中性子検出器と燃料集合体間の距離と中性子検出効率の関係を予め求めておけば、校正用使用済み燃料なしでも使用済み燃料の中性子放出率の絶対値を得ることができる。
【００１７】
請求項１の発明は、上記原理によって上記発明の目的を達成するものであって、原子炉で照射された後に水中に置かれた燃料集合体から放射される中性子を検出して、その中性子計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する方法において、前記燃料集合体からの距離の差が一定になるように相互に固定された第１および第２の中性子検出器を有する中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置して、前記第１と第２の中性子検出器から得られるそれぞれの中性子計数率を測定する中性子測定ステップと、前記中性子測定ステップで得られた中性子計数率の比を求める比計算ステップと、前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１および第２の中性子検出器の計数率比と前記第１の中性子検出器の検出効率との関係を表す第１の関数を設定する第１の関数設定ステップと、前記第１の関数に基づいて、前記比計算ステップで求めた中性子計数率の比を前記第１の中性子検出器の検出効率に換算する第１の換算ステップと、前記中性子測定ステップで得られた前記第１の中性子検出器の計数率と前記第１の換算ステップで得られた前記第１の中性子検出器の検出効率とに基づいて、前記第１の中性子検出器の計数率の位置ずれ補正を行う中性子計数率補正ステップと、前記中性子計数率補正ステップで補正された前記第１の中性子検出器の計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価するステップと、を有すること、を特徴とする燃焼度評価方法である。
【００１８】
このように、請求項１の発明によれば、燃料集合体と中性子検出器の位置ずれを補正することができ、中性子検出器より得られる計数率から算出される推定燃焼度の精度を向上させることができる。
【００１９】
次に請求項２の発明は、前記中性子検出器群との相対位置関係が固定されたガンマ線検出器を前記燃料集合体近傍の水中に配置してガンマ線計数率を測定するガンマ線測定ステップと、前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１および第２の中性子検出器の計数率比と前記ガンマ線検出器の検出効率との関係を表す第２の関数を設定する第２の関数設定ステップと、前記第２の関数に基づいて、前記比計算ステップで求めた中性子計数率の比を前記ガンマ線検出器の検出効率に換算する第２の換算ステップと、前記ガンマ線測定ステップで得られたガンマ線検出器の計数率と前記第２の換算ステップで得られた前記ガンマ線検出器の検出効率とに基づいて、前記ガンマ線検出器の計数率の位置ずれ補正を行うガンマ線計数率補正ステップと、をさらに有すること、を特徴とする請求項１の燃焼度評価方法である。
【００２０】
この請求項２の発明によれば、中性子測定と同時にガンマ線測定を行うことにより、より信頼性の高い燃焼度データを得ることができ、ガンマ線計数率に対しても中性子検出器の計数率比より得られる位置ずれ補正を行うことにより、燃焼度の精度向上を図ることができる。
【００２１】
次に請求項３の発明は、前記燃料集合体と同等の放射能物体は計算上のものであって、前記関数をモンテカルロ計算により求めること、を特徴とする請求項１または２の燃焼度評価方法である。
【００２２】
この請求項３の発明によれば、検出器−燃料集合体間の距離と計数率比の関係を、モンテカルロ計算によって予め計算することができる。モンテカルロ計算は、複雑な体系の中性子ガンマ線輸送計算を精度良く計算することができる。たとえば、距離をパラメータにして数ケースのガンマ線輸送計算を行い、各ケースの検出効率を内挿することにより、距離−検出効率曲線を得ることが可能である。
【００２３】
次に請求項４の発明は、前記燃料集合体と同等の放射能物体は模擬燃料集合体であって、前記関数を実験により求めることを特徴とする請求項１または２の燃焼度評価方法である。
【００２４】
この請求項４の発明によれば、検出効率を実験的に求めることができる。たとえば、水中に標準線源を使った模擬燃料を配置し、線源−検出器間の距離を変えながら、計数率の変化を測定する。たとえば、各測定点で得られた検出効率を内挿することにより、距離−検出効率曲線を得ることが可能である。
【００２５】
次に請求項５の発明は、前記中性子測定ステップならびに前記関数設定ステップは、前記第１および第２の中性子検出器の内の一方の中性子検出器を、前記比計算ステップで得た中性子計数率の比に基づいて決定される熱中性子束極大位置の付近に置き、もう一方の中性子検出器を前記一方の中性子検出器よりも前記燃料集合体から遠い位置に置いた状態で行うこと、を特徴とする請求項１ないし４のいずれかの燃焼度評価方法である。
【００２６】
この請求項５の発明によれば、中性子検出器−燃料集合体間の距離と計数率比の関係から、予め模擬集合体を用いた実験あるいはモンテカルロ計算等により、熱中性子束がピークとなるときの計数率比を求めておけば、計数率比より熱中性子束ピーク位置を決定できる。
【００２７】
次に請求項６の発明は、原子炉で照射された後に水中に置かれた燃料集合体から放射される中性子を検出して、その中性子計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する装置において、前記燃料集合体からの距離の差が一定になるように相互に固定された第１および第２の中性子検出器を有する中性子検出器群と、その中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置する手段と、前記第１と第２の中性子検出器から得られる中性子計数率の比を求める手段と、前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１と第２の中性子検出器の計数率比と前記第１の中性子検出器の検出効率の関係を表す関数を記憶する手段と、前記記憶された関数に基づいて、前記求めた中性子計数率の比を前記第１の中性子検出器の検出効率に換算する手段と、前記第１の中性子検出器の計数率と前記第１の中性子検出器の検出効率とに基づいて、前記第１の中性子検出器の計数率の位置ずれ補正を行う手段と、前記位置ずれ補正後の前記第１の中性子検出器の計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する手段と、を有することを特徴とする燃焼度評価装置である。
【００２８】
この請求項６の発明によれば、燃料集合体と中性子検出器の位置ずれを補正することができ、中性子検出器より得られる計数率から算出される推定燃焼度の精度を向上させることができる。
【００２９】
次に請求項７の発明は、前記中性子検出器群にはガンマ線検出器が固定され、このガンマ線検出器から得られる計数率と前記中性子計数率の比とに基づいて前記ガンマ線検出器の計数率の位置ずれ補正を行う手段をさらに有すること、を特徴とする請求項６の燃焼度評価装置である。
【００３０】
この請求項７の発明によれば、中性子測定と同時にガンマ線測定を行うことにより、より信頼性の高い燃焼度データを得ることができる。ガンマ線計数率に対しても、中性子検出器の計数率比より得られる位置ずれ補正を行うことにより、燃焼度の精度向上を図ることができる。
【００３１】
次に請求項８の発明は、前記ガンマ線検出器はＣｄＴｅ半導体検出器であって、このＣｄＴｅ半導体検出器の周囲にはシンチレータ検出器が配置され、これらのＣｄＴｅ半導体検出器とシンチレータ検出器の信号を非同時計数することによりコンプトン散乱によるバックグラウンドガンマ線を低減する手段を有すること、を特徴とする請求項７の燃焼度評価装置である。
【００３２】
この請求項８の発明によれば、ＣｄＴｅ検出器は素子を小さくできるため、たとえば600〜800keV程度の高エネルギーのガンマ線においてはコンプトン散乱を起こしたガンマ線が素子から抜け出る確率が高くなり、バックグラウンドガンマ線が増加する。たとえば、ＣｄＴｅ検出器にのみガンマ線が入射するようにコリメートし、コンプトン散乱を起こして検出器外に抜け出たガンマ線のみをシンチレータ検出器で検出する。シンチレータ検出器の信号とＣｄＴｅ検出器の信号をアンチコインシデンス（非同時測定）することにより、コンプトン散乱によるバックグラウンドガンマ線を抑制できる。
【００３３】
次に請求項９の発明は、前記中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置する手段は、前記第１および第２の内の一方の中性子検出器を、熱中性子束が極大となる位置の付近に置き、もう一方の中性子検出器を前記一方の中性子検出器よりも前記燃料集合体から遠い位置に置く手段を含むこと、を特徴とする請求項６ないし８のいずれかの燃焼度評価装置である。
【００３４】
この請求項９の発明によれば、中性子検出器−燃料集合体間の距離と計数率比の関係から、予め模擬集合体を用いた実験あるいはモンテカルロ計算等により、熱中性子束がピークとなるときの計数率比を求めておけば、計数率比より熱中性子束ピーク位置を決定できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明に関わる燃焼度測定方法および装置の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態としての基本的構成例を示した図である。図１に示すように、燃料プール壁１に仮置された燃料集合体２に対し、簡易燃焼度測定装置（中性子検出器群）５を配置する。簡易燃焼度測定装置５は第１の中性子検出器３と第２の中性子検出器４を内蔵しており、支持具７で燃料プール上から吊り下げられている。第１の中性子検出器３は燃料集合体２からの熱中性子束が最も高くなる位置、すなわち燃料集合体から約2〜3cmの位置に設定され、第２の中性子検出器４は第１の中性子検出器３よりさらに数cm〜十数cmの距離をとって設置される。
【００３６】
第１の中性子検出器３と第２の中性子検出器４は、燃料集合体２の側面に対して垂直に並ぶように配置されており、また、燃料集合体２および簡易燃焼度測定装置５は燃料プールの水中に配置されている。
【００３７】
中性子検出器３、４からの信号は信号ケーブル６を通して、地上の測定回路８へ伝送される。中性子検出器３、４としてはバックグラウンドガンマ線に対する感度が小さい、核***計数管またはボロン‐10検出器が適している。
【００３８】
燃料集合体２の周辺は強ガンマ線バックグラウンド場であり、Ｈｅ-3中性子検出器、ＢＦ3中性子検出器ではガンマ線によるノイズが大きく、また、検出器中のガスが放射線分解を起こし感度が劣化する。核***計数管またはボロン‐10検出器はガンマ線に対する感度が低く、バックグラウンドガンマ線の影響を低減させた燃料集合体２からの中性子検出に適している。特にガンマ線の影響を強く受ける燃料集合体２に近い検出器には、よりガンマ線に対する感度の低い核***計数管が適している。
【００３９】
図２は、燃料集合体２の表面からの距離と中性子計数率の一般的関係を示したものである。中性子計数率は、表面からの距離の増大に伴い、最初増加傾向を示し、最大値に達した後に、減少する。最大値付近は比較的平坦であって、表面からの距離による中性子計数率の変化が小さい。この付近に第１の中性子検出器３を配置する。これに対し、平坦部を過ぎた減少部分はほぼ指数関数的に中性子計数率が減少する。この位置に第２の中性子検出器４を配置する。
【００４０】
図３（ａ）は、第２の中性子検出器４による中性子計数率ｂと、第１の中性子検出器３による中性子計数率ａとの比を、燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離の関数として表したものである。ただし、図３は、第１の中性子検出器３を上記平坦部に配置することを前提としており、図３の横軸は図２の横軸よりも引き伸ばされている。図２で示したように、第１の中性子検出器３による中性子計数率ａは距離による中性子計数率の変化が小さいのに対し、中性子計数率４による中性子計数率ｂは距離による中性子計数率の変化が大きい。したがって、中性子計数率ｂ／中性子計数率ａの比は燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離に大きく依存する。
【００４１】
図３（ｂ）に示すように、燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離が大きくなると中性子検出効率は減少する。図３（ａ）の関係を利用し、二つの中性子計数率の比から燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離を算出し、次に、図３（ｂ）の関係から中性子検出効率を求めることにより、検出器設定時の位置ずれによる中性子検出効率の変化を補正することができ、燃焼度を精度よく求めることができる。
【００４２】
一例として、計数率比Ａが求められた場合、図３（ａ）より距離Ｂが求められ、図３（ｂ）より距離Ｂから中性子検出効率Ｃが求められる。
図３（ａ）、（ｂ）の曲線を求めるのは、たとえば模擬燃料集合体を用いた実験やモンテカルロ中性子輸送計算等による。
【００４３】
また、燃料集合体から所定の距離に検出器を配置したい場合、すなわち、熱中性子束ピーク位置に第１の中性子検出器３を配置させるには、図３（ａ）の関係から、熱中性子束ピーク位置に相当する計数率比になるように、中性子検出器群５を配置すれば良い。
【００４４】
なお、以上の説明では、図３（ａ）、（ｂ）の２本の曲線（二つの関数）によって、計数率比Ａから燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離Ｂを求めた上で中性子検出効率Ｃを求める方法を示した。しかし、予め計数率比と中性子検出効率の関係を表す一つの関数（曲線）を用意しておくことによって、計数率比Ａから中性子検出効率Ｃを求めることも可能である（図示せず）。
【００４５】
図４は、中性子計数率ｂと中性子計数率ａの比から位置ずれによる中性子検出効率の変化を補正するフローチャートを示している。これについて以下に説明する。
【００４６】
まず、第１の中性子検出器３によって中性子計数率ａを得る（ステップＳ１）と同時に、第２の中性子検出器４によって中性子計数率ｂを得る（ステップＳ２）。次に、計数率比＝中性子計数率ｂ／中性子計数率ａを求める（ステップＳ３）。
【００４７】
上記ステップＳ１〜Ｓ３とは別に、模擬実験を行って、計数率比と中性子検出効率との関係を表す関数を求めておく（ステップＳ４）。次に、ステップＳ４で得た関数に基づいて、ステップＳ３で求めた計数率比を、第１の中性子検出器３の中性子検出効率に換算する（ステップＳ５）。
【００４８】
次に、ステップＳ１で得られた第１の中性子検出器３の中性子計数率ａとステップＳ５で得られた第１の中性子検出器３の中性子検出効率とに基づいて、第１の中性子検出器３の計数率の位置ずれ補正を行う（ステップＳ６） 。
【００４９】
このフローチャートでは、上述のように、計数率比−中性子検出効率曲線は予め実施された模擬実験により決定する（ステップＳ４）。
【００５０】
図５に示したフローチャートは、図４とほぼ同様であるが、計数率比−中性子検出効率曲線を求めるに当たり、模擬実験の代わりに、モンテカルロ法による中性子輸送計算を行う（ステップＳ７）。モンテカルロ計算は３次元形状および中性子、ガンマ線の散乱を厳密に取り扱うことができ、複雑な測定体系でも精度良い計算結果を得ることができる。
【００５１】
図６は、中性子検出器群５とガンマ線検出器９を併用した簡易燃焼度測定装置を示している。測定原理の異なる二つの方法で燃焼度測定を行うことにより、燃焼度推定値の信頼性を向上させることができる。ガンマ線検出器９としては小型で燃焼度推定に十分なエネルギー分解能を持つカドミウムテルライド（ＣｄＴｅ）検出器が適している。ガンマ線検出器９により検出された信号は前置増幅器１０で増幅され、中性子検出器と同様に信号ケーブル６を通して測定回路８へ伝送される。
【００５２】
ＣｄＴｅ検出器は、Ｇｅ検出器よりエネルギー分解能は劣るが、冷却の必要がなく、装置の小型化を図ることができる。測定精度は低下するが、Ｇｅ検出器の設置の不可能な場所にも設置が可能である。
【００５３】
図７は、ＣｄＴｅ検出器９のコンプトン散乱成分を低減する装置を示している。図７に示した検出器容器１１は容器の縦断面を示している。検出器容器１１内の中央に配置されたＣｄＴｅ検出器９の周囲に円筒状のシンチレータ検出器１４を配置し、シンチレータ検出器１４の周囲にはガンマ線遮蔽材１５を配置している。
【００５４】
燃焼度を測定する場合、Ｃｓ137による662keVのガンマ線強度を測定することが重要である。ＣｄＴｅ結晶の大きさは高々数ｃｍであるので、入射したガンマ線の内、光電吸収により結晶中に全エネルギーを付与したものはガンマ線ピークとして検出することができるが、コンプトン散乱を起こしたものは、エネルギーの一部を散乱ガンマ線に与え、結晶外へ逃げてしまい、ガンマ線ピークとして検出することはできない。特に高エネルギーのガンマ線はコンプトン散乱を起こす確率が高く、662keVより高いガンマ線がコンプトン散乱を起こした場合、662keVガンマ線ピークに対して深刻なバックグラウンド要因となり、Ｃｓ137ガンマ線強度の測定精度を劣化させる。
【００５５】
ＣｄＴｅ検出器９に入射したガンマ線１２がガンマ線検出器９でコンプトン散乱を起こした場合、散乱線１３は周囲に逃げる。この散乱線をシンチレータ検出器１４で検出する。シンチレータ検出器１４はＣｄＴｅ検出器９に比べエネルギー分解能は劣るが、検出効率は高い。シンチレータ検出器１４の周囲には検出器容器１１の外側からのガンマ線を遮蔽するためにガンマ線遮蔽材１５を配置する。ガンマ線遮蔽材としては鉛、タングステンが代表的である。
【００５６】
シンチレータ検出器１４による信号は光ケーブル１６により光電子増倍管１７を通して信号ケーブル２０に伝送される。一方、ＣｄＴｅ検出器９による信号は前置増幅器１０、信号ケーブル８を通して伝送される。
【００５７】
ＣｄＴｅ検出器９の信号とシンチレータ検出器１４による信号は非同時計数回路１８に入力する。ここで、非同時計数回路１８に入力される双方の信号がほぼ同時に起こったのであれば、コンプトン散乱であるため、この信号は除外することができ、Ｃｓ137ガンマ線ピークの測定精度を向上させることができる。非同時計数回路１８からの信号について、マルチチャンネルアナライザ１９でガンマ線スペクトル解析をすることにより、Ｃｓ137ガンマ線計数率を決定する。
【００５８】
図８は、中性子検出器３、４とガンマ線検出器９を併用した場合のフローチャートを示す。図８は、図４のフローチャートと比べて、中性子計数率ａおよびｂに基づいて位置ずれ補正後の中性子計数率を求める部分（ステップＳ１〜Ｓ６）は同じである。ただし、ここでは、図１に示す中性子検出器群５の代わりに、図６に示す中性子検出器群５とガンマ線検出器９とを検出器容器１１に入れて一体に組み合わせた検出器を用いる。
【００５９】
図８で、ガンマ線検出器９によってガンマ線計数率を測定する（ステップＳ２０）。また、これとは別に、ステップ４と同様に、模擬実験を行って、計数率比とガンマ線検出効率との関係を表す関数を求めておく（ステップＳ２１）。このステップＳ２１で、計数率比は、ステップ３の場合と同様にｂ／ａで定義される。次に、ステップＳ２１で得た関数に基づいて、ステップＳ３で求めた計数率比をガンマ線検出効率に換算する（ステップＳ２２）。
【００６０】
次に、ステップＳ２０で得られたガンマ線計数率とステップＳ２２で得られたガンマ線検出効率とに基づいて、ガンマ線計数率の位置ずれ補正を行う（ステップＳ２３）。
【００６１】
図９は、図８と同様に中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合のフローチャートを示しているが、計数率比−ガンマ線検出効率曲線は、模擬実験によることなく、モンテカルロガンマ線輸送計算により求める（ステップＳ２６）。
【００６２】
上述のように、中性子とガンマ線は応答が異なるため、中性子輸送モンテカルロ計算とガンマ線輸送モンテカルロ計算をそれぞれ行い、図３（ｂ）に対応する燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離とガンマ線計数効率の関係を求める。
【００６３】
なお、図８の実施の形態では二つの模擬実験を採用しており、図９の実施の形態では二つのモンテカルロ輸送計算を採用している。これらの折衷案、すなわち、一方を模擬実験として他方をモンテカルロ輸送計算とすることも可能である（図示せず）。
【００６４】
図１０は、装置を水中に固定する場合に重心を安定させる方法を示している。測定装置の前方にコリメータの設置やアブソーバの追加を行う場合、重心位置がずれ、測定装置が前方に傾く、この重心位置のずれを補正するために、後部に重り２１を設置する。この重り２１は支持具７からの距離を変化させる距離調整装置２２に接合されており、測定装置が前方に傾いた場合、重り２１を支持具７から遠ざけることにより、測定位置を水平に保つことができる。
【００６５】
一般に検出器容器を燃料プールの上部から吊り下げる場合、遮蔽体や検出器を交換すると重心位置がずれ、容器を水平に保てなくなり、測定対象位置のガンマ線を測定することが困難となることが考えられる。この実施の形態によれば、重心位置のずれを補正し、検出器容器の水平を容易に保つことが可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体に対し異なる距離に配置した、２個の中性子検出器から得られる計数率比から燃料集合体と中性子検出器の位置ずれを補正することができ、中性子検出器より得られる計数率から算出される推定燃焼度の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼度測定装置の一実施形態の模式的構成図。
【図２】燃料集合体表面から中性子検出器までの距離と中性子計数率の関係を模式的に示すグラフ。
【図３】図３（ａ）は、中性子計数率ｂと中性子計数率ａの比を燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離の関数として表したグラフ。
図３（ｂ）は、中性子検出効率を燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離の関数として表したグラフ。
【図４】本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（模擬実験を用いる場合）。
【図５】本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（モンテカルロ計算を用いる場合）。
【図６】中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合の本発明に係る燃焼度測定装置の一実施形態の模式的構成図。
【図７】本発明に係るＣｄＴｅ検出器のコンプトン散乱成分を低減する装置の一実施形態の概念的構成図。
【図８】中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合の本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（模擬実験を用いる場合）。
【図９】中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合の本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（モンテカルロ計算を用いる場合）。
【図１０】本発明に係る燃焼度測定方法および装置の一実施形態において用いられる重心を安定させる装置を示した概念的構成図。
【符号の説明】
１…燃料プール壁、２…燃料集合体、３…第１の中性子検出器、４…第２の中性子検出器、５…簡易燃焼度測定装置（中性子検出器群）、６…信号ケーブル、７…支持具、８…測定回路、９…ガンマ線検出器（ＣｄＴｅ検出器）、１０…前置増幅器、１１…検出器容器、１２…入射したガンマ線、１３…散乱したガンマ線、１４…シンチレータ検出器、１５…ガンマ線遮蔽材、１６…光ケーブル、１７…光電子増倍管、１８…非同時計数回路、１９…マルチチャンネルアナライザ、２０…信号ケーブル。
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電所等の原子炉から発生する使用済み燃料の燃焼度測定方法および装置に関し、特に、大型の装置を設置することが困難な、発電所等の燃料プール内において、簡易かつ非破壊的に燃焼度を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力炉で照射された使用済み燃料集合体は、燃料プール水中で一定の期間保管し、半減期の比較的短い放射能を減衰させた後に、再処理施設や長期貯蔵施設へ輸送される。
【０００３】
貯蔵や輸送に先立って、使用済み燃料集合体の臨界安全性を確保するために、燃焼度や蓄積している核***性物質濃度などのいわゆる燃焼パラメータを評価する必要がある。そのために、燃料再処理施設には燃焼度測定装置が設置されている。この燃焼度測定装置は施設の設計段階から取り入れているため、大がかりなものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼度測定方法としては、使用済み燃料の中に蓄積している核***生成物、特にセシウム（Ｃｓ137やＣｓ134）から放出されるガンマ線を選択的に測定するガンマ線スペクトル測定法と、使用済み燃料の中に蓄積している超ウラン元素のキュリウム等から放出されている中性子を測定する中性子測定法が測定原理の大きな柱となっている。
【０００５】
ところで、近年では原子力発電所から使用済み燃料を送り出す際に、測定精度は多少劣ってもよいから、既存発電所のプールに簡単に設置して使用できる小型の燃焼度計測装置の開発が期待されている。小型の燃焼度計測装置としては、中性子検出器としては原子炉、再処理施設等の強ガンマ線場での使用実績の高い、小型の核***計数管またはＢ（ボロン）10検出器が挙げられ、またガンマ線検出器としてカドミテルル（ＣｄＴｅ）半導体検出器、冷却装置分離型高純度ゲルマニウム（Ｈｐ-Ｇｅ）検出器、シンチレータ検出器等を採用することが提案されている（たとえば特開平10−332873号公報参照）。
【０００６】
小型検出器による燃焼度測定装置は、簡易であるが、装置自体が発電所プール中という位置決め的に不安定な場所に設置されることもあり、検出器と燃料集合体間の位置を精度良く決めることは困難である。従来、再処理施設に設置されている燃焼度測定装置では燃料集合体の両側から測定を行うことにより、測定体系の位置ずれによる計数率の誤差がキャンセルされるようになっている。発電所プール用の燃焼度測定装置では、両側からの測定は装置の大型化に繋がるため好ましくない。このため、燃料集合体の片側からのみの測定を行う場合、何らかの方法で、測定体系の位置ずれを補正する必要がある。
【０００７】
ガンマ線検出器によるスペクトル測定の場合、セシウム137から発生するガンマ線とセシウム134から発生するガンマ線は、燃焼度の良い指標となる。それぞれのガンマ線は1cm程度の位置ずれで10%程度の計数率変化が生じるが、セシウム137とセシウム134のガンマ線計数率比は1cm程度の位置ずれで約2%程度しか変化しないため、ガンマ線計数率比による燃焼度算出は測定体系の位置ずれの影響を低減するのに有効である。
【０００８】
ところが、高分解能のＨｐ-Ｇｅ検出器を使用すれば、Ｃｓ134とＣｓ137を分離することができるが、Ｈｐ-Ｇｅ検出器は装置が大型であり、小型化を図るために提案されているＣｄ-Ｔｅ検出器を用いた場合、バックグラウンドガンマ線の状況によりＣｓ134とＣｓ137が十分分離できない可能性がある。また、計数率比をとる場合、燃焼度算出の誤差の中に、Ｃｓ137とＣｓ134の両方の誤差を含むことになるためどちらか一方の誤差が大きい場合、燃焼度の誤差が大きくなる。
【０００９】
中性子測定の場合、熱中性子束がピークとなり、中性子束の変化が緩やかな、燃料集合体から2〜3cm程度の場所に中性子検出器を配置することにより、位置決め誤差を低減することができるが、1cm程度のずれで3〜5%程度の計数率変化が生じ、燃焼度算出の際の誤差になる可能性がある。
燃料集合体−検出器間の距離の測定を機械的に行う方法が考えられるが、作業の煩雑さから、実際的ではない。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、その目的は、測定時の位置ずれを補正し、燃料集合体の片側からのみの測定でも、精度よく燃焼度データを得ることができる使用済み燃料集合体の燃焼度評価方法および評価装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであるが、まずその原理を説明する。
燃料集合体から発生する中性子のエネルギーは燃焼度によらず一定である。また、水中の中性子の減速曲線も水密度が変化しなければ、一定である。したがって、二つの検出器の計数率比は燃料集合体−検出器間の距離のみに依存する。熱中性子の減速曲線は、通常、燃料集合体から2〜3cmの位置でピークとなり、以降は指数関数的に減少する。
【００１２】
ピーク位置と指数関数的に減少している位置にそれぞれ中性子検出器を配置すると、ピーク位置の計数率は距離による変化が小さく、指数関数的に減少している位置の計数率は距離による変化が大きい。したがって各中性子検出器の計数率比は距離により大きく変化し、この計数率比と距離の関係を予め求めておくことにより、上記計数率比から距離を算出することが可能である。燃料集合体−中性子検出器間の距離から検出効率を算出すれば、検出器位置ずれによる中性子計数率の変化を補正できる。
【００１３】
二つの中性子検出器を燃料集合体と異なる距離に配置し、それぞれの計数率の比から、距離を算出することが可能である。前述のように、たとえば燃料集合体から2〜3cmの位置では熱中性子束の変化は緩やかで、1cmで3〜5%程度の変化である。これに対し、燃料集合体からたとえば10cm程度の位置では、熱中性子束の変化は著しく1cmで15%程度変化する。
【００１４】
ここで二つの検出器が相互に機械的に固定されて一つの検出器群をなしている場合、二つの検出器の相互距離は変化せず、燃料集合体と中性子検出器群の位置ずれのみが誤差の原因となる。上記のように燃料集合体と中性子検出器の距離がたとえば2〜3cm程度の位置と、10cm程度の位置に置いた二つの検出器の計数率比は位置に敏感で、1cm程度のずれで、10%以上の変化をする。通常、中性子検出時の測定精度は3%以下と考えられるので、3mm以内の精度で位置ずれを補正できることになる。
【００１５】
上記計数率比は燃料集合体の中性子強度に依存せず、燃料集合体と検出器間の水の密度のみに依存する。燃料プールの水温はほぼ一定に保たれているため、燃料集合体−検出器群間距離と計数率比の関係を予め計算または実験により求めておけば、上記中性子計数率比より中性子検出器群と燃料集合体間の距離を算出することができ、算出された距離を基に位置ずれを補正することができる。
【００１６】
また、従来の燃焼度測定装置においては、燃焼度既知の校正用使用済み燃料を用いて、検出器の校正を行っているが、発電所プールで燃焼度測定装置を使用する場合、常に校正用使用済み燃料を燃料プール中に置いておくのは困難である。中性子検出器と燃料集合体間の距離と中性子検出効率の関係を予め求めておけば、校正用使用済み燃料なしでも使用済み燃料の中性子放出率の絶対値を得ることができる。
【００１７】
請求項１の発明は、上記原理によって上記発明の目的を達成するものであって、原子炉で照射された後に水中に置かれた燃料集合体から放射される中性子を検出して、その中性子計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する方法において、前記燃料集合体からの距離の差が一定になるように相互に固定された第１および第２の中性子検出器を有する中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置して、前記第１と第２の中性子検出器から得られるそれぞれの中性子計数率を測定する中性子測定ステップと、前記中性子測定ステップで得られた中性子計数率の比を求める比計算ステップと、前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１および第２の中性子検出器の計数率比と前記第１の中性子検出器の検出効率との関係を表す第１の関数を設定する第１の関数設定ステップと、前記第１の関数に基づいて、前記比計算ステップで求めた中性子計数率の比を前記第１の中性子検出器の検出効率に換算する第１の換算ステップと、前記中性子測定ステップで得られた前記第１の中性子検出器の計数率と前記第１の換算ステップで得られた前記第１の中性子検出器の検出効率とに基づいて、前記第１の中性子検出器の計数率の位置ずれ補正を行う中性子計数率補正ステップと、前記中性子計数率補正ステップで補正された前記第１の中性子検出器の計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価するステップと、を有すること、を特徴とする燃焼度評価方法である。
【００１８】
このように、請求項１の発明によれば、燃料集合体と中性子検出器の位置ずれを補正することができ、中性子検出器より得られる計数率から算出される推定燃焼度の精度を向上させることができる。
【００１９】
次に請求項２の発明は、前記中性子検出器群との相対位置関係が固定されたガンマ線検出器を前記燃料集合体近傍の水中に配置してガンマ線計数率を測定するガンマ線測定ステップと、前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１および第２の中性子検出器の計数率比と前記ガンマ線検出器の検出効率との関係を表す第２の関数を設定する第２の関数設定ステップと、前記第２の関数に基づいて、前記比計算ステップで求めた中性子計数率の比を前記ガンマ線検出器の検出効率に換算する第２の換算ステップと、前記ガンマ線測定ステップで得られたガンマ線検出器の計数率と前記第２の換算ステップで得られた前記ガンマ線検出器の検出効率とに基づいて、前記ガンマ線検出器の計数率の位置ずれ補正を行うガンマ線計数率補正ステップと、をさらに有すること、を特徴とする請求項１の燃焼度評価方法である。
【００２０】
この請求項２の発明によれば、中性子測定と同時にガンマ線測定を行うことにより、より信頼性の高い燃焼度データを得ることができ、ガンマ線計数率に対しても中性子検出器の計数率比より得られる位置ずれ補正を行うことにより、燃焼度の精度向上を図ることができる。
【００２１】
次に請求項３の発明は、前記燃料集合体と同等の放射能物体は計算上のものであって、前記関数をモンテカルロ計算により求めること、を特徴とする請求項１または２の燃焼度評価方法である。
【００２２】
この請求項３の発明によれば、検出器−燃料集合体間の距離と計数率比の関係を、モンテカルロ計算によって予め計算することができる。モンテカルロ計算は、複雑な体系の中性子ガンマ線輸送計算を精度良く計算することができる。たとえば、距離をパラメータにして数ケースのガンマ線輸送計算を行い、各ケースの検出効率を内挿することにより、距離−検出効率曲線を得ることが可能である。
【００２３】
次に請求項４の発明は、前記燃料集合体と同等の放射能物体は模擬燃料集合体であって、前記関数を実験により求めることを特徴とする請求項１または２の燃焼度評価方法である。
【００２４】
この請求項４の発明によれば、検出効率を実験的に求めることができる。たとえば、水中に標準線源を使った模擬燃料を配置し、線源−検出器間の距離を変えながら、計数率の変化を測定する。たとえば、各測定点で得られた検出効率を内挿することにより、距離−検出効率曲線を得ることが可能である。
【００２５】
次に請求項５の発明は、前記中性子測定ステップならびに前記関数設定ステップは、前記第１および第２の中性子検出器の内の一方の中性子検出器を、前記比計算ステップで得た中性子計数率の比に基づいて決定される熱中性子束極大位置の付近に置き、もう一方の中性子検出器を前記一方の中性子検出器よりも前記燃料集合体から遠い位置に置いた状態で行うこと、を特徴とする請求項１ないし４のいずれかの燃焼度評価方法である。
【００２６】
この請求項５の発明によれば、中性子検出器−燃料集合体間の距離と計数率比の関係から、予め模擬集合体を用いた実験あるいはモンテカルロ計算等により、熱中性子束がピークとなるときの計数率比を求めておけば、計数率比より熱中性子束ピーク位置を決定できる。
【００２７】
次に請求項６の発明は、原子炉で照射された後に水中に置かれた燃料集合体から放射される中性子を検出して、その中性子計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する装置において、前記燃料集合体からの距離の差が一定になるように相互に固定された第１および第２の中性子検出器を有する中性子検出器群と、その中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置する手段と、前記第１と第２の中性子検出器から得られる中性子計数率の比を求める手段と、前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１と第２の中性子検出器の計数率比と前記第１の中性子検出器の検出効率の関係を表す関数を記憶する手段と、前記記憶された関数に基づいて、前記求めた中性子計数率の比を前記第１の中性子検出器の検出効率に換算する手段と、前記第１の中性子検出器の計数率と前記第１の中性子検出器の検出効率とに基づいて、前記第１の中性子検出器の計数率の位置ずれ補正を行う手段と、前記位置ずれ補正後の前記第１の中性子検出器の計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する手段と、を有することを特徴とする燃焼度評価装置である。
【００２８】
この請求項６の発明によれば、燃料集合体と中性子検出器の位置ずれを補正することができ、中性子検出器より得られる計数率から算出される推定燃焼度の精度を向上させることができる。
【００２９】
次に請求項７の発明は、前記中性子検出器群にはガンマ線検出器が固定され、このガンマ線検出器から得られる計数率と前記中性子計数率の比とに基づいて前記ガンマ線検出器の計数率の位置ずれ補正を行う手段をさらに有すること、を特徴とする請求項６の燃焼度評価装置である。
【００３０】
この請求項７の発明によれば、中性子測定と同時にガンマ線測定を行うことにより、より信頼性の高い燃焼度データを得ることができる。ガンマ線計数率に対しても、中性子検出器の計数率比より得られる位置ずれ補正を行うことにより、燃焼度の精度向上を図ることができる。
【００３１】
次に請求項８の発明は、前記ガンマ線検出器はＣｄＴｅ半導体検出器であって、このＣｄＴｅ半導体検出器の周囲にはシンチレータ検出器が配置され、これらのＣｄＴｅ半導体検出器とシンチレータ検出器の信号を非同時計数することによりコンプトン散乱によるバックグラウンドガンマ線を低減する手段を有すること、を特徴とする請求項７の燃焼度評価装置である。
【００３２】
この請求項８の発明によれば、ＣｄＴｅ検出器は素子を小さくできるため、たとえば600〜800keV程度の高エネルギーのガンマ線においてはコンプトン散乱を起こしたガンマ線が素子から抜け出る確率が高くなり、バックグラウンドガンマ線が増加する。たとえば、ＣｄＴｅ検出器にのみガンマ線が入射するようにコリメートし、コンプトン散乱を起こして検出器外に抜け出たガンマ線のみをシンチレータ検出器で検出する。シンチレータ検出器の信号とＣｄＴｅ検出器の信号をアンチコインシデンス（非同時測定）することにより、コンプトン散乱によるバックグラウンドガンマ線を抑制できる。
【００３３】
次に請求項９の発明は、前記中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置する手段は、前記第１および第２の内の一方の中性子検出器を、熱中性子束が極大となる位置の付近に置き、もう一方の中性子検出器を前記一方の中性子検出器よりも前記燃料集合体から遠い位置に置く手段を含むこと、を特徴とする請求項６ないし８のいずれかの燃焼度評価装置である。
【００３４】
この請求項９の発明によれば、中性子検出器−燃料集合体間の距離と計数率比の関係から、予め模擬集合体を用いた実験あるいはモンテカルロ計算等により、熱中性子束がピークとなるときの計数率比を求めておけば、計数率比より熱中性子束ピーク位置を決定できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明に関わる燃焼度測定方法および装置の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態としての基本的構成例を示した図である。図１に示すように、燃料プール壁１に仮置された燃料集合体２に対し、簡易燃焼度測定装置（中性子検出器群）５を配置する。簡易燃焼度測定装置５は第１の中性子検出器３と第２の中性子検出器４を内蔵しており、支持具７で燃料プール上から吊り下げられている。第１の中性子検出器３は燃料集合体２からの熱中性子束が最も高くなる位置、すなわち燃料集合体から約2〜3cmの位置に設定され、第２の中性子検出器４は第１の中性子検出器３よりさらに数cm〜十数cmの距離をとって設置される。
【００３６】
第１の中性子検出器３と第２の中性子検出器４は、燃料集合体２の側面に対して垂直に並ぶように配置されており、また、燃料集合体２および簡易燃焼度測定装置５は燃料プールの水中に配置されている。
【００３７】
中性子検出器３、４からの信号は信号ケーブル６を通して、地上の測定回路８へ伝送される。中性子検出器３、４としてはバックグラウンドガンマ線に対する感度が小さい、核***計数管またはボロン‐10検出器が適している。
【００３８】
燃料集合体２の周辺は強ガンマ線バックグラウンド場であり、Ｈｅ-3中性子検出器、ＢＦ3中性子検出器ではガンマ線によるノイズが大きく、また、検出器中のガスが放射線分解を起こし感度が劣化する。核***計数管またはボロン‐10検出器はガンマ線に対する感度が低く、バックグラウンドガンマ線の影響を低減させた燃料集合体２からの中性子検出に適している。特にガンマ線の影響を強く受ける燃料集合体２に近い検出器には、よりガンマ線に対する感度の低い核***計数管が適している。
【００３９】
図２は、燃料集合体２の表面からの距離と中性子計数率の一般的関係を示したものである。中性子計数率は、表面からの距離の増大に伴い、最初増加傾向を示し、最大値に達した後に、減少する。最大値付近は比較的平坦であって、表面からの距離による中性子計数率の変化が小さい。この付近に第１の中性子検出器３を配置する。これに対し、平坦部を過ぎた減少部分はほぼ指数関数的に中性子計数率が減少する。この位置に第２の中性子検出器４を配置する。
【００４０】
図３（ａ）は、第２の中性子検出器４による中性子計数率ｂと、第１の中性子検出器３による中性子計数率ａとの比を、燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離の関数として表したものである。ただし、図３は、第１の中性子検出器３を上記平坦部に配置することを前提としており、図３の横軸は図２の横軸よりも引き伸ばされている。図２で示したように、第１の中性子検出器３による中性子計数率ａは距離による中性子計数率の変化が小さいのに対し、中性子計数率４による中性子計数率ｂは距離による中性子計数率の変化が大きい。したがって、中性子計数率ｂ／中性子計数率ａの比は燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離に大きく依存する。
【００４１】
図３（ｂ）に示すように、燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離が大きくなると中性子検出効率は減少する。図３（ａ）の関係を利用し、二つの中性子計数率の比から燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離を算出し、次に、図３（ｂ）の関係から中性子検出効率を求めることにより、検出器設定時の位置ずれによる中性子検出効率の変化を補正することができ、燃焼度を精度よく求めることができる。
【００４２】
一例として、計数率比Ａが求められた場合、図３（ａ）より距離Ｂが求められ、図３（ｂ）より距離Ｂから中性子検出効率Ｃが求められる。
図３（ａ）、（ｂ）の曲線を求めるのは、たとえば模擬燃料集合体を用いた実験やモンテカルロ中性子輸送計算等による。
【００４３】
また、燃料集合体から所定の距離に検出器を配置したい場合、すなわち、熱中性子束ピーク位置に第１の中性子検出器３を配置させるには、図３（ａ）の関係から、熱中性子束ピーク位置に相当する計数率比になるように、中性子検出器群５を配置すれば良い。
【００４４】
なお、以上の説明では、図３（ａ）、（ｂ）の２本の曲線（二つの関数）によって、計数率比Ａから燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離Ｂを求めた上で中性子検出効率Ｃを求める方法を示した。しかし、予め計数率比と中性子検出効率の関係を表す一つの関数（曲線）を用意しておくことによって、計数率比Ａから中性子検出効率Ｃを求めることも可能である（図示せず）。
【００４５】
図４は、中性子計数率ｂと中性子計数率ａの比から位置ずれによる中性子検出効率の変化を補正するフローチャートを示している。これについて以下に説明する。
【００４６】
まず、第１の中性子検出器３によって中性子計数率ａを得る（ステップＳ１）と同時に、第２の中性子検出器４によって中性子計数率ｂを得る（ステップＳ２）。次に、計数率比＝中性子計数率ｂ／中性子計数率ａを求める（ステップＳ３）。
【００４７】
上記ステップＳ１〜Ｓ３とは別に、模擬実験を行って、計数率比と中性子検出効率との関係を表す関数を求めておく（ステップＳ４）。次に、ステップＳ４で得た関数に基づいて、ステップＳ３で求めた計数率比を、第１の中性子検出器３の中性子検出効率に換算する（ステップＳ５）。
【００４８】
次に、ステップＳ１で得られた第１の中性子検出器３の中性子計数率ａとステップＳ５で得られた第１の中性子検出器３の中性子検出効率とに基づいて、第１の中性子検出器３の計数率の位置ずれ補正を行う（ステップＳ６） 。
【００４９】
このフローチャートでは、上述のように、計数率比−中性子検出効率曲線は予め実施された模擬実験により決定する（ステップＳ４）。
【００５０】
図５に示したフローチャートは、図４とほぼ同様であるが、計数率比−中性子検出効率曲線を求めるに当たり、模擬実験の代わりに、モンテカルロ法による中性子輸送計算を行う（ステップＳ７）。モンテカルロ計算は３次元形状および中性子、ガンマ線の散乱を厳密に取り扱うことができ、複雑な測定体系でも精度良い計算結果を得ることができる。
【００５１】
図６は、中性子検出器群５とガンマ線検出器９を併用した簡易燃焼度測定装置を示している。測定原理の異なる二つの方法で燃焼度測定を行うことにより、燃焼度推定値の信頼性を向上させることができる。ガンマ線検出器９としては小型で燃焼度推定に十分なエネルギー分解能を持つカドミウムテルライド（ＣｄＴｅ）検出器が適している。ガンマ線検出器９により検出された信号は前置増幅器１０で増幅され、中性子検出器と同様に信号ケーブル６を通して測定回路８へ伝送される。
【００５２】
ＣｄＴｅ検出器は、Ｇｅ検出器よりエネルギー分解能は劣るが、冷却の必要がなく、装置の小型化を図ることができる。測定精度は低下するが、Ｇｅ検出器の設置の不可能な場所にも設置が可能である。
【００５３】
図７は、ＣｄＴｅ検出器９のコンプトン散乱成分を低減する装置を示している。図７に示した検出器容器１１は容器の縦断面を示している。検出器容器１１内の中央に配置されたＣｄＴｅ検出器９の周囲に円筒状のシンチレータ検出器１４を配置し、シンチレータ検出器１４の周囲にはガンマ線遮蔽材１５を配置している。
【００５４】
燃焼度を測定する場合、Ｃｓ137による662keVのガンマ線強度を測定することが重要である。ＣｄＴｅ結晶の大きさは高々数ｃｍであるので、入射したガンマ線の内、光電吸収により結晶中に全エネルギーを付与したものはガンマ線ピークとして検出することができるが、コンプトン散乱を起こしたものは、エネルギーの一部を散乱ガンマ線に与え、結晶外へ逃げてしまい、ガンマ線ピークとして検出することはできない。特に高エネルギーのガンマ線はコンプトン散乱を起こす確率が高く、662keVより高いガンマ線がコンプトン散乱を起こした場合、662keVガンマ線ピークに対して深刻なバックグラウンド要因となり、Ｃｓ137ガンマ線強度の測定精度を劣化させる。
【００５５】
ＣｄＴｅ検出器９に入射したガンマ線１２がガンマ線検出器９でコンプトン散乱を起こした場合、散乱線１３は周囲に逃げる。この散乱線をシンチレータ検出器１４で検出する。シンチレータ検出器１４はＣｄＴｅ検出器９に比べエネルギー分解能は劣るが、検出効率は高い。シンチレータ検出器１４の周囲には検出器容器１１の外側からのガンマ線を遮蔽するためにガンマ線遮蔽材１５を配置する。ガンマ線遮蔽材としては鉛、タングステンが代表的である。
【００５６】
シンチレータ検出器１４による信号は光ケーブル１６により光電子増倍管１７を通して信号ケーブル２０に伝送される。一方、ＣｄＴｅ検出器９による信号は前置増幅器１０、信号ケーブル８を通して伝送される。
【００５７】
ＣｄＴｅ検出器９の信号とシンチレータ検出器１４による信号は非同時計数回路１８に入力する。ここで、非同時計数回路１８に入力される双方の信号がほぼ同時に起こったのであれば、コンプトン散乱であるため、この信号は除外することができ、Ｃｓ137ガンマ線ピークの測定精度を向上させることができる。非同時計数回路１８からの信号について、マルチチャンネルアナライザ１９でガンマ線スペクトル解析をすることにより、Ｃｓ137ガンマ線計数率を決定する。
【００５８】
図８は、中性子検出器３、４とガンマ線検出器９を併用した場合のフローチャートを示す。図８は、図４のフローチャートと比べて、中性子計数率ａおよびｂに基づいて位置ずれ補正後の中性子計数率を求める部分（ステップＳ１〜Ｓ６）は同じである。ただし、ここでは、図１に示す中性子検出器群５の代わりに、図６に示す中性子検出器群５とガンマ線検出器９とを検出器容器１１に入れて一体に組み合わせた検出器を用いる。
【００５９】
図８で、ガンマ線検出器９によってガンマ線計数率を測定する（ステップＳ２０）。また、これとは別に、ステップ４と同様に、模擬実験を行って、計数率比とガンマ線検出効率との関係を表す関数を求めておく（ステップＳ２１）。このステップＳ２１で、計数率比は、ステップ３の場合と同様にｂ／ａで定義される。次に、ステップＳ２１で得た関数に基づいて、ステップＳ３で求めた計数率比をガンマ線検出効率に換算する（ステップＳ２２）。
【００６０】
次に、ステップＳ２０で得られたガンマ線計数率とステップＳ２２で得られたガンマ線検出効率とに基づいて、ガンマ線計数率の位置ずれ補正を行う（ステップＳ２３）。
【００６１】
図９は、図８と同様に中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合のフローチャートを示しているが、計数率比−ガンマ線検出効率曲線は、模擬実験によることなく、モンテカルロガンマ線輸送計算により求める（ステップＳ２６）。
【００６２】
上述のように、中性子とガンマ線は応答が異なるため、中性子輸送モンテカルロ計算とガンマ線輸送モンテカルロ計算をそれぞれ行い、図３（ｂ）に対応する燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離とガンマ線計数効率の関係を求める。
【００６３】
なお、図８の実施の形態では二つの模擬実験を採用しており、図９の実施の形態では二つのモンテカルロ輸送計算を採用している。これらの折衷案、すなわち、一方を模擬実験として他方をモンテカルロ輸送計算とすることも可能である（図示せず）。
【００６４】
図１０は、装置を水中に固定する場合に重心を安定させる方法を示している。測定装置の前方にコリメータの設置やアブソーバの追加を行う場合、重心位置がずれ、測定装置が前方に傾く、この重心位置のずれを補正するために、後部に重り２１を設置する。この重り２１は支持具７からの距離を変化させる距離調整装置２２に接合されており、測定装置が前方に傾いた場合、重り２１を支持具７から遠ざけることにより、測定位置を水平に保つことができる。
【００６５】
一般に検出器容器を燃料プールの上部から吊り下げる場合、遮蔽体や検出器を交換すると重心位置がずれ、容器を水平に保てなくなり、測定対象位置のガンマ線を測定することが困難となることが考えられる。この実施の形態によれば、重心位置のずれを補正し、検出器容器の水平を容易に保つことが可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体に対し異なる距離に配置した、２個の中性子検出器から得られる計数率比から燃料集合体と中性子検出器の位置ずれを補正することができ、中性子検出器より得られる計数率から算出される推定燃焼度の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼度測定装置の一実施形態の模式的構成図。
【図２】燃料集合体表面から中性子検出器までの距離と中性子計数率の関係を模式的に示すグラフ。
【図３】図３（ａ）は、中性子計数率ｂと中性子計数率ａの比を燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離の関数として表したグラフ。
図３（ｂ）は、中性子検出効率を燃料集合体−簡易燃焼度測定装置間の距離の関数として表したグラフ。
【図４】本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（模擬実験を用いる場合）。
【図５】本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（モンテカルロ計算を用いる場合）。
【図６】中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合の本発明に係る燃焼度測定装置の一実施形態の模式的構成図。
【図７】本発明に係るＣｄＴｅ検出器のコンプトン散乱成分を低減する装置の一実施形態の概念的構成図。
【図８】中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合の本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（模擬実験を用いる場合）。
【図９】中性子検出器とガンマ線検出器を併用した場合の本発明に係る燃焼度測定方法の一実施形態を示すフローチャート（モンテカルロ計算を用いる場合）。
【図１０】本発明に係る燃焼度測定方法および装置の一実施形態において用いられる重心を安定させる装置を示した概念的構成図。
【符号の説明】
１…燃料プール壁、２…燃料集合体、３…第１の中性子検出器、４…第２の中性子検出器、５…簡易燃焼度測定装置（中性子検出器群）、６…信号ケーブル、７…支持具、８…測定回路、９…ガンマ線検出器（ＣｄＴｅ検出器）、１０…前置増幅器、１１…検出器容器、１２…入射したガンマ線、１３…散乱したガンマ線、１４…シンチレータ検出器、１５…ガンマ線遮蔽材、１６…光ケーブル、１７…光電子増倍管、１８…非同時計数回路、１９…マルチチャンネルアナライザ、２０…信号ケーブル。
Claims (9)
- 原子炉で照射された後に水中に置かれた燃料集合体から放射される中性子を検出して、その中性子計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する方法において、
前記燃料集合体からの距離の差が一定になるように相互に固定された第１および第２の中性子検出器を有する中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置して、前記第１と第２の中性子検出器から得られるそれぞれの中性子計数率を測定する中性子測定ステップと、
前記中性子測定ステップで得られた中性子計数率の比を求める比計算ステップと、
前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１および第２の中性子検出器の計数率比と前記第１の中性子検出器の検出効率との関係を表す第１の関数を設定する第１の関数設定ステップと、
前記第１の関数に基づいて、前記比計算ステップで求めた中性子計数率の比を前記第１の中性子検出器の検出効率に換算する第１の換算ステップと、
前記中性子測定ステップで得られた前記第１の中性子検出器の計数率と前記第１の換算ステップで得られた前記第１の中性子検出器の検出効率とに基づいて、前記第１の中性子検出器の計数率の位置ずれ補正を行う中性子計数率補正ステップと、
前記中性子計数率補正ステップで補正された前記第１の中性子検出器の計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価するステップと、
を有すること、を特徴とする燃焼度評価方法。 - 前記中性子検出器群との相対位置関係が固定されたガンマ線検出器を前記燃料集合体近傍の水中に配置してガンマ線計数率を測定するガンマ線測定ステップと、
前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１および第２の中性子検出器の計数率比と前記ガンマ線検出器の検出効率との関係を表す第２の関数を設定する第２の関数設定ステップと、
前記第２の関数に基づいて、前記比計算ステップで求めた中性子計数率の比を前記ガンマ線検出器の検出効率に換算する第２の換算ステップと、
前記ガンマ線測定ステップで得られたガンマ線検出器の計数率と前記第２の換算ステップで得られた前記ガンマ線検出器の検出効率とに基づいて、前記ガンマ線検出器の計数率の位置ずれ補正を行うガンマ線計数率補正ステップと、
をさらに有すること、を特徴とする請求項１の燃焼度評価方法。 - 前記燃料集合体と同等の放射能物体は計算上のものであって、前記関数をモンテカルロ計算により求めること、を特徴とする請求項１または２の燃焼度評価方法。
- 前記燃料集合体と同等の放射能物体は模擬燃料集合体であって、前記関数を実験により求めることを特徴とする請求項１または２の燃焼度評価方法。
- 前記中性子測定ステップならびに前記関数設定ステップは、前記第１および第２の中性子検出器の内の一方の中性子検出器を、前記比計算ステップで得た中性子計数率の比に基づいて決定される熱中性子束極大位置の付近に置き、もう一方の中性子検出器を前記一方の中性子検出器よりも前記燃料集合体から遠い位置に置いた状態で行うこと、を特徴とする請求項１ないし４のいずれかの燃焼度評価方法。
- 原子炉で照射された後に水中に置かれた燃料集合体から放射される中性子を検出して、その中性子計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する装置において、
前記燃料集合体からの距離の差が一定になるように相互に固定された第１および第２の中性子検出器を有する中性子検出器群と、
その中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置する手段と、
前記第１と第２の中性子検出器から得られる中性子計数率の比を求める手段と、
前記燃料集合体と同等の放射能物体について前記第１と第２の中性子検出器の計数率比と前記第１の中性子検出器の検出効率の関係を表す関数を記憶する手段と、
前記記憶された関数に基づいて、前記求めた中性子計数率の比を前記第１の中性子検出器の検出効率に換算する手段と、
前記第１の中性子検出器の計数率と前記第１の中性子検出器の検出効率とに基づいて、前記第１の中性子検出器の計数率の位置ずれ補正を行う手段と、
前記位置ずれ補正後の前記第１の中性子検出器の計数率に基づいて、前記燃料集合体の燃焼度を評価する手段と、
を有することを特徴とする燃焼度評価装置。 - 前記中性子検出器群にはガンマ線検出器が固定され、このガンマ線検出器から得られる計数率と前記中性子計数率の比とに基づいて前記ガンマ線検出器の計数率の位置ずれ補正を行う手段をさらに有すること、を特徴とする請求項６の燃焼度評価装置。
- 前記ガンマ線検出器はＣｄＴｅ半導体検出器であって、このＣｄＴｅ半導体検出器の周囲にはシンチレータ検出器が配置され、これらのＣｄＴｅ半導体検出器とシンチレータ検出器の信号を非同時計数することによりコンプトン散乱によるバックグラウンドガンマ線を低減する手段を有すること、を特徴とする請求項７の燃焼度評価装置。
- 前記中性子検出器群を前記燃料集合体近傍の水中に配置する手段は、前記第１および第２の内の一方の中性子検出器を、熱中性子束が極大となる位置の付近に置き、もう一方の中性子検出器を前記一方の中性子検出器よりも前記燃料集合体から遠い位置に置く手段を含むこと、を特徴とする請求項６ないし８のいずれかの燃焼度評価装置。
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