JP5038158B2 - 中性子束測定システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所の炉心内の中性子束(neutron flux)の量を測定する分野に関連する。より詳細に言えば、本発明は、可変長ロジウム・エミッタを有する中性子検出器集合体を提示する。提示する中性子検出器集合体は、原子力発電所内の中性子束を測定するのに使用され、可変長ロジウム・エミッタは、核燃料集合体のスペーサ格子の間に置かれる。

原子炉用検出器集合体は、核燃料処理期間中、炉心の状態を正確に監視するために、核燃料集合体内に取付けまたは設置される。原子炉内の核反応状態を監視するのに使用される検出器集合体は、２つの異なる検出ユニットから作成される。各々の検出ユニットは、異なる物質から作成され、すなわち、プラチナおよびバナジウムの組合せ、ロジウムおよびバナジウムの組合せ、またはコバルトおよびバナジウムの組合せから作成することができる。

現存の検出器集合体の特定構想は、原子力発電所の炉心から放射されるガンマ線放射を測定することである。上記検出器によるガンマ線放射の測定は、特定時間の炉心内の核活動量を、原子力発電所の操作員に大まかに確定させることができる。しかしながら、上記検出器集合体の欠点は、炉心内の核活動を測定するのにガンマ線放射を利用することで、種々の非能率性に直面することである。通常の炉心において、核燃料集合体内のウラニウムまたは他の物質の核分裂が、ガンマ線放射の発生源になる。しかしながら、炉心内の燃料集合体以外の物質も、炉心の核活動中に放射線を放射するので、したがって、核燃料の結果として生じる核分裂処理に関係しない付加的なガンマ線放射が発生する。時間の経過と共に、より多くの物質が放射するようになり、このため、ガンマ線バックグランドとなる放射線成分は、より大きくなる。この付加的なガンマ線バックグランドは、核燃料であるウラニウムの核分裂以外に存在するガンマ線放射なので、炉心内の核活動の測定を不正確にする。この付加的なガンマ線エネルギーのバックグランド値を補正し、炉心内の核活動量を確定させるために、検出器で測定したガンマ線放射の全体量から、付加的なバックグランド放射の推定値を差し引く必要がある。炉心内の核活動量を確定させるために、個々のガンマ線放射検出器の出力は、コンピュータによって解析する必要がある。コンピュータによる信号解析は、個々のガンマ線放射検出器で生成された信号に関して、複雑な数学的解析により実行される。また、この複雑な数学的解析は、よく言われるように、炉心内で発生する核活動の量の解析に不確実性を導くことになる。従って、上記のようなガンマ線エネルギー検出器の使用およびこの検出器使用に伴う仮定は、プラント操作者にとって、重大な欠点を有している。何故なら、測定したガンマ線放射の値および測定に従って確定される炉心の核活動レベルは、実際の核活動の状態に対して、単に粗い推定値だからである。

これらの現存の検出器集合体の構想は、核燃料集合体のスペーサ間に置かれた個々の検出器により実施される。核燃料集合体のスペーサ間に置かれる個々の検出器の位置は、炉心からのガンマ線放射のスムーズな受け入れを可能にするので、この結果、核活動の測定を可能にする。スペーサ要素の間に置かれた個々の検出器は、等間隔を有するポイント測定装置を構成すると見なされる。別の核燃料集合体の構想において、等間隔のガンマ線エネルギー検出器は、核燃料集合体の軸方向の間隔に沿って置かれ、同時に、付随するバナジウム検出器の組は、核燃料集合体の軸方向全体に沿って置かれる。さらに別の構成において、コバルト検出器は、核燃料集合体の軸長のもと等間隔に置かれる。また、等間隔で付随するバナジウム検出器は、スペーサ格子要素の間に置かれる。これらの検出器集合体の構想は、核燃料集合体内の一層離れた領域では、検出能力を発揮しない。この一層離れた領域とは、すなわち、個々のスペーサ間空間が不均一な配置になる核燃料集合体の最上部と最下部とである。上記検出システムは、核燃料集合体の最上部と最下部とにおける中性子束は、これらの場所では監視できないので、予期されるパラメータ内にあると仮定する。これら最上部および最下部で、局部的な反応が大きくなると、潜在的な核燃料の損傷が発生する可能性がある。今日まで、上記検出システムにおいて、これら最上部および最下部での測定は、実施されていない。

現存の核燃料集合体の検出器システムは、さらに簡単な分析的方法で、これらの配置を処理する。現存の検出器システムは、原子炉内の特定箇所におけるガンマ線放射エネルギーを測定するように、分析的に検出器を取り扱う。採用される分析的技術と検出器システムの結論として、核燃料集合体の中で５箇所または６箇所は測定するが、核燃料集合体の軸方向に沿って発生する核活動の全体的な解析は実施されないことである。

プラチナは、炉心内に存在するガンマ線放射を測定するために、核燃料集合体の検出器システムのいくつかで使用される。上記で説明したように、核燃料集合体内でのガンマ線放射活動の測定は、ガンマ線放射領域に寄与する、炉心内に存在するいくつかの放射発生源に起因して、誤検出する傾向にある。プラチナは、全体の中性子束を確定させるのに使用することができない。また、検出器集合体構想におけるバナジウムの使用は、検出器集合体構想の全体的な有効性を制限する。何故なら、バナジウムは、特定する測定の炉心量が得られるとき、微小な信号しか供給できないからである。適切な量の信号を得るために、バナジウム成分は、解析用信号を伝達するのに考慮すべきサイズにしなければならない。既に当業者は理解しているように、核燃料集合体のコンパクトな構想の方が、分厚く、大きく、かつ非効率的な核燃料集合体システムよりも望まれている。

現存の特定検出器システムは、核燃料集合体内の中性子束を測定する。これらの検出器システムは、ヘリウムのようなガスで充満させたケーシング（casing）を提供し、ケーシングは、システム中央およびケーシング端部の各々に、陽極位置と陰極位置とを備えている。これらの検出器システムは、核燃料集合体内に置かれるが、しかしこれらの検出器システムは、核燃料集合体の端部の領域内には取付けられない。中性子束を測定する別の検出器システムは、核燃料集合体の中に早急に挿入できるように構想されている（すなわち、炉心内に移動させることができる）が、長期間にわたり、炉心内において中性子束場（neutron flux field）の解析に適用できない重大な欠点を有する。これらの移動式検出器システムは、炉心内に常駐する放射線に照射された後、急速に機能低下し、炉心内に長時間滞在するように構成または構想されていない。

従って、不均一な間隔を有する核燃料集合体の各部において、中性子束の流動状態を監視できる検出器編成システムを実現する必要がある。

また、動作中、自家動力で動作し、最小限のメンテナンスで済む核燃料集合体用検出器システムを実現する必要がある。

更に、中性子束の能力を直接測定することができ、かつ、ガンマ線放射のバックグランドレベル測定値を含む現存の検出器構成のような誤表示をしない、核燃料集合体用検出器システムを実現する必要がある。

更に、核燃料集合体の軸方向全体に沿う中性子束レベルを測定することができ、かつ、現存の検出器構成が供給するポイント参照計算を実施することに制限されない、核燃料集合体用検出器システムを実現する必要がある。

また更に、検出器システムの全体サイズを最小化する一方で、核燃料集合体内の中性子束を監視することができる核燃料集合体用検出器システムを実現する必要がある。

また、炉心の存在期間にわたって、核燃料集合体の端部において中性子束場を測定できる核燃料集合体用検出器システムを実現する必要がある。

従って、本発明の目的は、不均一な間隔を有する核燃料集合体の各部における中性子束の状態を監視できる検出器編成システムを実現することである。

また、本発明の目的は、動作中、自家動力で動作し、最小限のメンテナンスで済む核燃料集合体用検出器システムを実現することである。

更に、本発明の目的は、中性子束の能力を直接測定することができ、かつ、ガンマ線放射のバックグランドレベル測定値を含む現存の検出器構成のような誤表示をしない、核燃料集合体用検出器システムを実現することである。

また、本発明の目的は、核燃料集合体の軸方向全体に沿う中性子束レベルを測定することができ、かつ、現存の検出器構成が供給するポイント参照計算を実施することに制限されない、核燃料集合体用検出器システムを実現することである。

更に、本発明の目的は、検出器システムの全体サイズを最小化する一方で、核燃料集合体内の中性子束を監視することができる核燃料集合体用検出器システムを実現することである。

また更に、本発明の目的は、炉心の存在期間にわたって、核燃料集合体の端部において中性子束場を測定できる核燃料集合体用検出器システムを実現することである。

本発明の目的は、上記で記載および説明してきたことを実現することである。
本発明は、核燃料集合体内の中性子束を測定するシステムを提示する。該システムは、
核燃料集合体内に置かれる少なくとも２つの検出器であって、該検出器の各々は、外部シースと内部エミッタとを有し、該エミッタは、中性子を受け入れ、電気信号を供給する構造を有し、該外部シースは、該エミッタが置ける室内容積を形成するような、検出器と、外側のリードと、各エミッタに接続される少なくとも１つのリードであって、該リードは、上記エミッタからの上記電気信号を上記外側のリードに伝達するリードと、を含み、上記少なくとも２つの検出器は長さが異なる。
上記システムは、上記少なくとも２つの検出器がロジウムから作れるように構成することが可能である。

また、本発明は、本発明で提示した検出器を用いる中性子束を測定する方法を含む。
上記方法は、中性子束を測定する方法を提示するもので、
少なくとも２つのスペーサを有する核燃料集合体を供給するステップであって、該スペーサが、該核燃料集合体を少なくとも最上部の部分と最下部の部分とに分離する、供給ステップと、
少なくとも３つの検出器を上記核燃料集合体に供給するステップであって、該検出器のうちの少なくとも第１を、上記核燃料集合体の最上部の部分に置き、および、該検出器のうちの少なくとも第２を、上記核燃料集合体の最下部の部分に置く、供給ステップと、
上記核燃料集合体を中性子束場に露出するステップと、
上記少なくとも３つの検出器で中性子束場を測定するステップと、を有する。
また、上記中性子束の測定方法は、上記少なくとも３つの検出器で中性子束場を測定するステップが、上記少なくとも３つの検出器の各々に置かれた内部エミッタを励起することにより実行され、該内部エミッタが、物質からリード線まで信号を伝達するように、拡張することが可能である。

また、上記中性子束の測定方法は、
上記核燃料集合体の軸方向に沿って、上記核燃料集合体内の上記スペーサの場所を特定するステップと、
上記検出器のうちの第１を、上記スペーサから離れた中性子束に露出するように、上記核燃料集合体の上記最上部の領域に第１の上記検出器を置くステップと、
上記検出器のうちの第２を、上記スペーサから離れた中性子束に露出するように、上記核燃料集合体の上記最下部の領域に第２の上記検出器を置くステップと、を実施することができる。
更に、上記中性子束の測定方法は、上記少なくとも３つの検出器を上記核燃料集合体内の機器チューブに挿入することにより、上記少なくとも３つの検出器を上記核燃料集合体内に配置するステップを、実現することができる。

図１に関連して、現存のガンマ線エネルギー放射監視システム１０を示す。現存のガンマ線エネルギー放射監視システム１０は、燃料集合体の中心位置１４（すなわち、燃料集合体の端部ではない位置）に置かれる個々の検出器１２を供給する。ガンマ線エネルギー放射監視システム１０は、炉心内のガンマ線放射の中心部分に該当する位置を測定する。これらのシステム１０において、正確な監視の限界のために、検出器は、燃料集合体２０の最上部および最下部の近傍である端部領域１６，１８から除外される。さらに、燃料集合体２０の上記領域での全ての核活動は、ガンマ線放射の痕跡が特定の規定制限内にあるとき、運転可能なパラメータ内にあると仮定される。このシステム１０の構想の限界は、これらの最上部１８および最下部１６の領域で仮定が設けられていて、炉心の状態の正確な測定を実施しないことである。さらに加えて、使用されるシステム１０は、いつもポイント測定システムとして取り扱われ、検出器の軸方向全体の測定能力が発揮されない。従って、これらのシステム１０は、燃料集合体２０の軸方向に沿って各々のポイントでの測定値を比較することで炉心の状態を確定させるような厳しい制限がある。

図２に関連して、原子炉の中性子束を監視するためのシステム１００を示す。システム１００は、核燃料集合体１０４の内側に置かれた個別の検出器１０２から構成され、これら核燃料集合体用検出器１０２の各々は、中性子束の全体量を測定するように構成される。検出器１０２の個数は、検出器１０２が、核燃料棒用スペーサ要素１０６が供給されない核燃料集合体１０４の全領域をカバーできるように変更することができる。核燃料集合体１０４の内側にある検出器１０２の位置は、明確にするため、核燃料集合体１０４を埋め合わせるように図示してある。特に、本発明は、検出器１０２を、核燃料集合体１０４の全範囲に対して置くように規定する。検出器１０２は、最上部のクオドラント１０８、または核燃料集合体１０４のスペース及び/又は核燃料集合体１０４の最下部の部分１１０に置かれる。本発明は、監視装置として既知の他のタイプに対して異なる構成を提示する。本発明は、核燃料集合体で発生する中性子活動を特定するために充分な原子炉用検出器の数を供給する。各々の検出器は、異なる長さにすることができ、核燃料棒用スペーサ１０６が占有していないスペースに検出器１０２を置くように、核燃料集合体内に置くことができる。核燃料集合体の核燃料棒用スペーサ１０６は、核燃料棒の後にある核燃料棒の残り部分１１２から、中性子束をシールドすることを実現する。結果として、燃料棒用スペーサ１０６周辺での中性子活動を測定することは、中性子束変化の局所的なエッジ効果として機能するわけではない。

図３に関連して、各検出器３００は、外側シース３０２と共に供給され、このシースは、検出器３００の内部コンポーネント３０４を保護するように構成される。外側シース３０２は、検出器３００が、核燃料集合体の異なるタイプとも合体できるように、いかなる形状にもすることができる。図３の実施例において、この外側シース３０２は、棒状の形をしている。図示の実施例において、システム１００は、核燃料集合体の機器チューブの中に挿入され、この場所で、システム１００は、核反応の期間中、操作員によって、核燃料集合体の中を上昇または下降させられる。システム１００の挿入は、核燃料集合体の比較的下位部までで完遂する。また、最近の実施例として図示した核燃料集合体は、加圧水型原子炉用のものである。外側シース３０２は、中性子がシース３０２によって規定される中央値までに進行する前に、中性子の予測外の捕獲を防ぐために、低い中性子捕獲用クロス部を有する物質を備える。外側シース３０２は、原子炉用冷却水の侵入による腐食生成物を防ぐために、非腐食性物質から製作される。外側シース３０２への使用供給に限定されない物質の例には、ジルコニウム合金およびステンレス鋼合金が含まれる。外側シース３０２の厚さは、システムが、圧力に起因する力、温度、中性子衝撃および予期される事故時の負荷条件に耐えることができるように、充分な圧力維持能力を実現する変化が可能である。なお、予期される事故時の負荷条件とは、冷却事象および地震条件による事故時の損失が関連する負荷条件である。リード３０６は、各々の個々の検出器３００に供給される。リード３０６は、検出器３００から他のコンポーネントに信号を伝達する機能を実現する。他のコンポーネントとは、伝達された信号を解釈するコンピュータのようなコンポーネントが該当する。リード３０６は、必要な信号が伝達できるように、機器チューブの全長を横断する。リード３０６は、核燃料集合体の内側の領域を通過するときに生成される、原因不明の潜在的な疑似信号発生を防ぐために、熱および中性子活動から防護される。リードは、中性子に反応しない物質にする。

検出器３００は、自家動力で動作するユニットである。検出器３００は、核燃料集合体の内側または隣接して置かれ、この場所で、検出器３００は、中性子反応の出現を待つことになる。この結果、中性子反応および遊離中性子が出現することは、検出器３００内のエミッタ３１０にエネルギーを生じさせる。エミッタ３１０は、ロジウムから製作されており、したがって、中性子束の存在を正確に確定することに使用できる信号強度を供給することになる。この構成におけるロジウムの使用は、システム１００にパワーを供給しない状態で使用することを可能にする。何故なら、ロジウムは、更なる電力を必要とすることなく、信号を生成するからである。本発明におけるロジウムのエミッタ３１０は、図３に示すように、チューブ状の要素３１０として構成される。加えて、エミッタ３１０におけるロジウムの使用は、単にガンマ線放射を測定する従来技術の構成よりも優れた別の利点を有する。ロジウムの使用は、核燃料集合体に衝突する中性子のために弱い信号を生成する大きなバナジウム電極の使用を取り除く。更に加えて、プラチナの使用を取り除くことになる。何故なら、本発明のユニットは、中性子活動を測定するもので、中性子活動の測定に、プラチナ成分を採用することは不適切だからである。また、ロジウムは、別の利点を有しており、プラチナよりも高い融点を備えた特性があるので、したがって一層安全なシステム全体の構想が実現する。さらに、ロジウムは、腐食に対して非常に高い耐性の物質で、したがって原子力環境の使用に適用することができる。更に、ロジウムは、プラチナよりも低い密度を有するので、この結果、核燃料集合体におけるシステム１００の全体の搭載重量を最小限にする。図中には、チューブ状の要素として示したが、他の構成も可能であり、したがって、図示した構成は、選択した１つの実施例にすぎない。

検出器３００は、核燃料集合体の最上部または最下部から方向３１０に供給するように、加圧水型原子炉の核燃料集合体に組み込まれる。各検出器３００は、核燃料集合体内の機器チューブの端部に各々を置くことができるので、各検出器３００からの信号は、コンピュータにより解析することが可能である。代案として、検出器３００は、共通のリード線に接続し、検出器の場所に存在する中性子束の量を確定するようにコンピュータで解析することができる。この代案は、同時に、各々の検出器のプロファイルを確定するように、コンピュータで解析することができる。図示した実施例において、各々の検出器の全体長は、約１２.８ｃｍである。長い検出器は、核燃料集合体内のスペーサ間の変化範囲を最大にするために、例えば長さ４０ｃｍで使用することができる。本発明で提示するロジウム検出器は、検出器を含めた全体質量について非常に厳しい管理値を達成するために、注意深く製作される。検出器の外側の物理的寸法は、ユニットの長さを正確に確定させるために、Ｘ線を使用して測定される。また、追加リード３０８は、リード３０６と並行の関係で組み込むことができる。追加リード３０８は、取り付けるエミッタを有することはない。追加リード３０８の目的は、リード３０６に衝突するガンマ線に起因する疑似信号を複製するためである。この構成により、リード３０６、３０８で検出されるガンマ線の量が確定でき、この結果、一層正確な測定が実施される。

また、検出器３００は、核燃料集合体内にも実装することができるので、共通のシースが、内側のロジウム・エミッタ全体に供給される。核燃料集合体内に置かれる全てのエミッタための共通シースの存在は、エミッタを、核燃料集合体から一回で挿入及び/又は退出することを可能にする。

本発明は、原子力発電所の環境でガンマ線測定を使用する現存システムよりも、多くの優位性を実現する。本発明は、核燃料集合体の全域にわたって監視箇所を実現することになるので、したがって、現存システムが、核燃料集合体の端部での炉心特性を常時測定できないにもかかわらず、本発明は、炉心の中性子活動全体を一層正確にかつ詳細に解析することを実現する。原子炉内の中性子束レベルを監視することは、中性子の生産が直接核分裂過程に起因するので現在の炉心状態を一層正確に表示することを実現する。一方、ガンマ線エネルギーレベルは、核燃料集合体に近接して置かれた活性化物質に起因する原子炉の“バックグランド”の放射レベルを示すことができる。なお、上記活性化物質は、配管、腐食沈着物、および核分裂過程に直接関与しない他の物質のようなもので、現存の中性子測定システムが、核燃料集合体の端部の領域として無視している箇所にある。また、本発明は、核燃料集合体をコンパクトにする構想に特に有利になるように、中性子検出システムの全体サイズを最小化する構成を実現する。さらに、本発明は、“固定化された”システム用であり、炉心が急速に低下する移動式検出システムよりも、むしろ炉心処理が長期間にわたり中性子監視を実施するシステム用である。

上記の説明において、本発明を、特定の例示的な実施例に関連して記載している。しかし、添付した「特許請求の範囲」に規定した本発明の広い精神および範囲から逸脱することなく、種々の修正および変更が実施できることは明白であろう。明細書および図面に記載された事項は、発明見解を制限するものではなく、事例として考えるべきものである。

核燃料集合体に存在するガンマ線エネルギーを測定するのに使用する現存の検出器集合体であって、核燃料集合体の最上部および最下部が測定できない検出器集合体を示す図である。 本発明に関連して、原子炉の炉心内の中性子束を測定するロジウム検出器集合体システムを示す図である。 内在するロジウム・エミッタを有する単一のロジウム検出器であって、内在するロジウム・エミッタは、伴う外側シースによってカバーされる、ロジウム検出器を示す図である。

Claims (6)

1. 核燃料集合体内の中性子束を測定するシステムであって、該核燃料集合体は少なくとも２つのスペーサを有し、該少なくとも２つのスペーサは該核燃料集合体を少なくとも最上部の部分と最下部の部分とに分離し、該システムは、
   核燃料集合体内に置かれる少なくとも３つの検出器であって、該検出器の各々は外部シースと内部エミッタとを有し、該エミッタは中性子を受け入れかつ電気信号を供給する構造を有し、該外部シースは該エミッタが置ける室内容積を形成する、少なくとも３つの検出器と、
   外側のリードと、
   各エミッタに接続される少なくとも１つのリードであって、該エミッタからの該電気信号を該外側のリードに伝達するリードと、
   を含み、該少なくとも３つの検出器のうち、少なくとも第１の検出器が該核燃料集合体の該最上部の部分に置かれ、少なくとも第２の検出器が該核燃料集合体の該最下部の部分に置かれ、第３の検出器が該第１の検出器と該第２の検出器との間に置かれ、該少なくとも３つの検出器のうちの少なくとも２つが異なる長さを有する、
   中性子束測定システム。
2. 該少なくとも３つの検出器がロジウムからなる、請求項１に記載の中性子束測定システム。
3. 中性子束を測定する方法であって、
   少なくとも２つのスペーサを有する核燃料集合体を供給するステップであって、該少なくとも２つのスペーサが、該核燃料集合体を少なくとも最上部の部分と最下部の部分とに分離する、ステップと、
   少なくとも３つの検出器を該核燃料集合体に供給するステップであって、該少なくとも３つの検出器のうち、少なくとも第１の検出器が該核燃料集合体の該最上部の部分に置かれ、少なくとも第２の検出器が該核燃料集合体の該最下部の部分に置かれ、第３の検出器が該第１の検出器と該第２の検出器との間に置かれ、該少なくとも３つの検出器のうちの少なくとも２つが異なる長さを有する、ステップと、
   該核燃料集合体を中性子束場に露出するステップと、
   該少なくとも３つの検出器で該中性子束場を測定するステップと、
   を有する中性子束測定方法。
4. 該少なくとも３つの検出器で該中性子束場を測定する該ステップは、該少なくとも３つの検出器の各々に置かれた内部エミッタを励起することにより実行され、該内部エミッタは、物質からリード線まで信号を伝達するように構成される、請求項３に記載の中性子束測定方法。
5. 該少なくとも３つの検出器を該核燃料集合体に供給する該ステップは、
   該核燃料集合体の軸方向に沿って、該核燃料集合体内にスペーサの位置を特定するステップと、次いで、
   該少なくとも３つの検出器のうちの該第１の検出器が該スペーサから離れた中性子束に露出するように、該核燃料集合体の該最上部の領域に該第１の検出器を置くステップと、
   該少なくとも３つの検出器のうちの該第２の検出器が該スペーサから離れた中性子束に露出するように、該核燃料集合体の該最下部の領域に該第２の検出器を置くステップと、
   を有する、請求項３に記載の中性子束測定方法。
6. 該少なくとも３つの検出器を該核燃料集合体に供給する該ステップは、
   該少なくとも３つの検出器を該核燃料集合体内の機器チューブに挿入することにより、該少なくとも３つの検出器を該核燃料集合体内に置くステップ、
   を有する、請求項３に記載の中性子束測定方法。

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