JP5099700B2 - 非破壊測定装置用検出器バンク及び非破壊測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウラン及びプルトニウム等の核分裂性物質を含有する廃棄物を処分するに当たり、非破壊的方法によって、廃棄物に内蔵される核分裂物質の含有量を測定する非破壊測定装置に関する。さらに詳細には、特定の廃棄物に限定されることなく、高密度金属圧縮体や中性子毒物を含む廃棄物に対しても正確に核分裂性物質の測定を行うことができる非破壊測定装置及び当該非破壊測定装置に用いる検出器バンクに関する。

放射性廃棄物固体の核分裂性物質の非破壊検査方法としてアクティブ中性子法が提案されて用いられている（たとえば特許文献１等参照）。特許文献１記載の方法は、中性子発生管より放出された高速中性子が測定対象物である廃棄物固体中で散乱し減速して熱中性子化し、その熱中性子が当該廃棄物固体中の核分裂性物質を核分裂させたときに放出される核分裂中性子の時間−計数成分を最小二乗法によりフィッティングして選択的に抽出し、その成分の計数値総和を求め、その計数値総和を測定対象物である廃棄物固体中に内蔵されている核分裂性物質の総量を示す値とする方法である。

このような非破壊検査方法を実施する非破壊測定装置としては、たとえば、図１１に示す中性子検出器を内蔵する検出器バンクを備えるものが提案されている（特許文献２）。かかる検出器バンクは、複数の検出器３０３をポリエチレンからなる中性子減速体３０２で取り囲み、さらに中性子減速体３０２全体をカドミウムからなる熱中性子吸収体３０１で覆ってなる。

このような構造の従来の検出器バンクにおける検出過程を図１２に示す。検出体系内には高速中性子の減速の度合いにより高速中性子とエピサーマル中性子、熱中性子が混在する。その中で熱中性子６０１は検出器バンクの外壁を構成するカドミウムからなる熱中性子吸収体３０１により吸収分離されるため、検出器バンク内にはエピサーマル中性子と、高速中性子が進入する。エピサーマル中性子と高速中性子は、検出器バンク内側を構成するポリエチレンからなる中性子減速体３０２により減速される。中性子検出器３０３で検出されるのは、測定体系内のエピサーマル中性子に起因する熱中性子６０２と、高速中性子に起因する熱中性子６０３、同じくエピサーマル中性子６０４、それと減速せずに到達したエピサーマル中性子６０５と高速中性子６０６である。

このような従来の非破壊測定方法では、検出効率を最大にすることを目標とし、中性子の速度が遅いほど検出効率は高い性質があるため、高速中性子である照射中性子及び核分裂中性子をポリエチレン等の中性子減速材によりできるだけ効率良く熱中性子に減速して検出する方法を採用している。この方法では、測定体系内で混在している高速中性子である核分裂中性子及び照射中性子と測定体系及び当該廃棄物固体により高速中性子が減速されてなるエピサーマル中性子及び熱中性子とを、検出器バンクの外壁を構成するカドミウムからなる熱中性子吸収体で吸収分離し、そこを通過した高速中性子（核分裂中性子及び照射中性子）及びエピサーマル中性子を中性子検出器の周囲を取り囲むポリエチレンからなる中性子減速体で減速して、熱中性子化して高速中性子を効率良く検出する。照射中性子スペクトル成分中には、中性子検出器内のエピサーマル中性子に起因する中性子が支配的となり、その結果、測定対象物が高密度金属圧縮廃棄体や中性子毒物（熱中性子吸収物質；Ｇｄ）を含むものである場合、核分裂中性子時間スペクトルは照射中性子時間スペクトル中に埋没し、核分裂中性子が発生していてもスペクトル解析による核分裂中性子成分の分離抽出が不可能となるため、特定の廃棄物しか正確に測定できないという問題があった（図９参照）。
特開平１１−６４５２８号公報 特許第３８４５６８５号公報

したがって、本発明の目的は、特定の廃棄物に制限されることなく、高密度金属圧縮体や中性子毒物を含む廃棄体等、種々の廃棄物や物体中の核分裂性物質を正確に測定できる非破壊測定装置及び当該装置に用いるための検出器バンクを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、中性子検出器バンクの構造を改良することにより、上記目的を達成し得ること見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、放射性廃棄物固体の核分裂性物質の非破壊測定装置に用いる検出器バンクであって、中性子検出器と、当該中性子検出器の周囲を取り囲むカドミウムからなる熱中性子吸収体と、当該熱中性子吸収体の周囲を取り囲むポリエチレンからなる中性子減速体と、当該中性子減速体の周囲を取り囲むホウ素含有物質からなる熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体と、当該熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体の周囲を取り囲む構造材と、を具備する検出器バンクに関する。

前記ホウ素含有物質は、ホウ素又は炭化ホウ素であることが好ましい。
また、前記構造材は、鉄又は鉄合金、特にステンレススチールからなることが好ましい。

また、本発明によれば、中性子反射体の内側に、検査対象の放射性廃棄物固体を中心として、上記本発明の検出器バンクと、中性子発生管と、を対向する位置に配置してなる、放射性廃棄物固体の核分裂性物質の非破壊測定装置が提供される。

本発明の検出器バンクを具備する核分裂性物質の非破壊測定装置によれば、特定の廃棄物に制限されることなく、高密度金属圧縮体や中性子毒物を含む廃棄体等、種々の廃棄物や物体中の核分裂性物質を正確に測定できる。

さらに詳細には、本発明の非破壊測定装置は、中性子検出器内の高速中性子に起因するエピサーマル中性子と減速せずに到達した高速中性子とを選択的に検出することができ、これにより従来は測定検出が不可能であった金属圧縮固化廃棄体等やＧｄ等の熱中性子吸収物質（中性子毒物）を含む廃棄物の測定が可能である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、図１は、本発明の非破壊測定装置の一実施形態を示す概略図である。図２は、図１に示す本発明の中性子検出器バンクの内部構造を示す拡大透視平面図であり、図３は、図２に示す本発明の中性子検出器バンクにおける中性子の検出過程を模式的に示す模式図である。

図１に示す非破壊測定装置１は、高速中性子発生管１０２ａ，１０２ｂ及び中性子検出器内蔵検出器バンク１０３を中性子反射体１０１で取り囲んでなる核分裂性物質量の非破壊測定装置である。放射性廃棄物固体１０４は、非破壊測定装置１の中心に位置づけられる。高速中性子発生管１０２ａ及び１０２ｂと、中性子検出器内蔵検出器バンク１０３とは、放射性廃棄物固体を中心として、互いに対向する位置に配置されている。

具体的には、断面形状が正方形状の測定空間１００を囲む中性子反射体１０１として、ＳＵＳ３０４を使用している。測定空間１００の２つの隅（図１における上方側の２つの角）にはそれぞれ中性子発生管１０２ａ，１０２ｂが配されている。また、図１の下方側には３０本の中性子検出器が３個の中性子検出器バンク１０３内に分配して配置されている。また、測定空間１００の中心部には検査対象である金属性圧縮固化廃棄体１０４が、その中心部に^２３９Ｐｕ１０５を１００ｍｇ配置した状態で配されている。このような非破壊測定装置全体の構造（中性子検出器バンク１０３を除く構造）は、特許第３８４５６８５号公報に記載の装置と同様であり、詳細な説明を省略する。

本発明の装置における特徴部分である中性子検出器バンク１０３は、図２に示すように、所定間隔をあけて複数個配設されてなる中性子出器２０５と、中性子検出器２０５の周囲を取り囲むカドミウムからなる熱中性子吸収体２０４と、熱中性子吸収体２０４の周囲を取り囲むポリエチレンからなる中性子減速体２０３と、中性子減速体２０３の周囲を取り囲むホウ素含有物質からなる熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体２０２と、熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体２０２の周囲を取り囲む構造材２０１と、を具備する。

本実施形態においては、構造材２０１としてＳＵＳ３０４を、熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体２０２として炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を、中性子減速体２０３としてポリエチレンを、熱中性子吸収体２０４としてカドミウムを用いている。炭化ホウ素としては ^１０ Ｂを９５％含むものを好ましく用いることができ、ポリエチレンとしては一般的な高密度ポリエチレンを好ましく用いることができ、その密度は０．９８ｇ／ｃｍ^３で、１２ｍｍの厚さが最適である。また、熱中性子吸収体２０４と検出器２０５との間には、検出器を挿入するためのクリアランススペースが設けられている。

本実施形態の中性子検出器において、構造材２０１の厚みは、４ｍｍであり、熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体２０２の厚みは ^１０ Ｂを９５％含むＢ_４Ｃで３ｍｍ、 ^１０ Ｂが天然（１９．６％）のＢ_４Ｃで１０ｍｍであり、中性子減速体２０３の厚み（中性子吸収体２０２と熱中性子吸収体２０４との間の最も幅の狭い部分における厚み）は１２ｍｍであり、熱中性子吸収体２０４の厚みは１ｍｍである。熱中性子吸収体２０４と検出器２０５との間隔は１ｍｍであり、検出器２０５の直径は２５．４ｍｍである。これらの厚みは限定的なものではないが、たとえば熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体２０２として、 ^１０ Ｂを９５％含む炭化ホウ素を１ｃｍ又は２ｃｍのように極端に厚くすると、検出感度が非常に悪くなるか検出不可能になってしまうことが考えられる。

本実施形態の中性子検出器バンク１０３による検出過程を図３に示す。図３に示すように、中性子検出器バンク１０３の外からの熱中性子７０１及びエピサーマル中性子７０２は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）からなる中性子吸収体２０２に吸収される。検出器バンク内部に進入した高速中性子は、ポリエチレンからなる中性子減速体２０３により減速され、熱中性子、エピサーマル中性子及び減速されなかった高速中性子とに分化する。高速中性子が減速した熱中性子７０３については、中性子検出器２０５の周りに配置したカドミウムからなる熱中性子吸収体２０４に吸収される。したがって、最終的に中性子検出器２０５により検出されるのは、測定体系内の高速中性子に起因するエピサーマル中性子７０４と減速されずに到達した高速中性子７０５となる。

なお、本発明は上述の実施形態に何ら制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
〔実施例１及び比較例１〕
図１及び図２に示す中性子検出器バンク１０３を具備する非破壊測定装置１を用いてその有効性を確認するためのモンテカルロシミュレーション計算を実施した。計算は、中性子発生管１０２ａ，１０２ｂから１４ＭｅＶの高速中性子を約１００億粒子発生させ、全ての中性子検出器２０５で検出される中性子について時間依存機能を持たせた計算を行うことにより、実験値と全く同じ時間依存計算データを得た。

その結果を図４に示す。図４は、計算により得た結果を最小二乗法により照射中性子成分４０１と核分裂中性子計数成分４０２にフィッティングして分離したものである。また、図５には、比較のために図１１及び１２に示す従来の中性子検出器バンクを用いて得た結果を示す。

図５に示す結果から、図１１に示す従来の中性子検出器バンクを有する装置では、核分裂中性子計数成分５０２は照射中性子成分５０１に埋没してしまい確認できないことがわかる。これに対して、本発明の装置では、図２に示す中性子検出器バンクを有するので、図４に示すように、照射中性子成分が完全に消滅する時間は０．８２ｍ秒から０．１２ｍ秒になり、約７分の１に短縮されており、その結果、従来の装置では照射中性子成分に隠れて確認出来なかった測定対象の核分裂中性子５０２の計数成分が、図４の参照番号４０２に示すように確認および分離抽出できるようになり、検出感度および検出限界値を飛躍的に改善できていることがわかる。

図６は比較対象としての図１２に示す従来型の中性子検出器バンク内の中性子減速体領域における中性子エネルギー別時間依存データを示したものである。同様に図７は本発明の装置における中性子検出器バンク内の中性子減速体領域における中性子エネルギー別時間依存データを中性子のエネルギー別に分けて示したものである。

双方を比較すると、図６において照射中性子の消滅時間は、測定体系内のエピサーマル中性子若しくは高速中性子に起因する熱中性子８０１と測定体系内のエピサーマル中性子が進入したもの若しくは高速中性子に起因するエピサーマル中性子８０２が支配的である。

一方、図７において照射中性子の消滅時間は、測定体系内の熱中性子とエピサーマル中性子を炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）により吸収分離することにより、測定体系内の高速中性子に起因する熱中性子９０１とエピサーマル中性子が支配的になり、照射中性子が消滅するまでの時間は従来型の中性子検出器バンクに比べ０．７２ｍ秒から０．３ｍ秒と約２．５分の１になっている。

更に、図８に、図７に示す中性子検出器バンクの検出器領域における中性子エネルギー別時間依存データを中性子のエネルギー別に分けて示す。
図７と図８とを比較すると、図７の中性子減速体領域で照射中性子の消滅時間において支配的であった測定体系内の高速中性子に起因する熱中性子は、中性子検出器２０５の周囲を取り囲むカドミウムからなる熱中性子吸収体２０４の作用により吸収分離され、測定体系内の高速中性子に起因するエピサーマル中性子１００１と減速せずに検出器領域まで侵入してきた高速中性子１００２が照射中性子の消滅時間において支配的になり、結果的に消滅時間を０．８２ｍ秒から０．１２ｍ秒と約７分の１に短縮している。

これらの結果から、本発明の装置においては、より正確に測定可能であることがわかる。
〔実施例３及び比較例３〕
従来型の中性子検出器バンクを用いて、Ｇｄを２００ｇ混入させたセメント固化廃棄体について、実施例１と同様に実験を行った結果を図９に示す。この場合には、高圧縮金属廃棄体の測定の場合と同様に、核分裂中性子計数成分２００２は中性子発生管からの問い掛け中性子成分２００１に完全に隠れて測定不可能となってしまう。

これに対して、本発明の装置においては、図２に示す構成の中性子検出器バンクを用いているので、Ｇｄを含む廃棄体について適用した場合でも、図１０に示すように、高密度金属廃棄体と同様、問い掛け中性子３００１に隠れることなく核分裂中性子計数成分３００２が分離可能であった。

この結果から、本発明の装置によれば、従来の装置では不可能であった中性子毒物を含む廃棄物中に存在する核分裂物質の検出が可能であることがわかる。

図１は、本発明の非破壊測定装置の一実施形態を示す概略図である。 図２は、図１に示す非破壊測定装置に用いられる本発明の中性子検出器バンクの内部構造を示す拡大透視平面図である。 図３は、図２に示す本発明の中性子検出器バンクにおける中性子の検出過程を模式的に示す模式図である。 図４は、本発明の新型検出器バンクでのモンテカルロシミュレーション計算によって、密度４．０ｇ／ｃｍ^３の金属廃棄物ドラムを測定した時に得られる時間依存測定データを示した図である。 図５は、従来型検出器バンクでのモンテカルロシミュレーション計算によって、密度４．０ｇ／ｃｍ^３の金属廃棄物ドラムを測定した時に得られる時間依存測定データを示した図である。 図６は、従来型の検出器バンク内の中性子減速体領域における中性子エネルギー別時間依存データを示した図である。 図７は、本発明の新型検出器バンク内の中性子減速体領域における中性子エネルギー別時間依存データを示した図である。 図８は、本発明の新型検出器バンク内のＨｅ−３検出器領域における中性子エネルギー別時間依存データを示した図である。 図９は、従来型検出器バンクでのモンテカルロシミュレーション計算によって、２００ｇのＧｄを均一混合させたセメント固化廃棄物ドラムを測定した時に得られる時間依存測定データを示した図である。 図１０は、本発明の新型検出器バンクでのモンテカルロシミュレーション計算によって、２００ｇのＧｄを均一混合させたセメント固化廃棄物ドラムを測定した時に得られる時間依存測定データを示した図である。 図１１は、従来型の検出器バンクの略図である。 図１２は、図１１に示す従来型検出器における中性子分離と検出過程を示した略図である。

符号の説明

１０１：中性子反射体
１０２ａ：中性子発生管
１０２ｂ：中性子発生管
１０３：中性子検出器バンク
１０４：放射性廃棄体
１０５：核物質
２０１：構造材（鉄又はＳＵＳ）
２０２：熱中性子及びエピサーマル中性子の吸収体（炭化ホウ素）
２０３：中性子減速体（ポリエチレン）
２０４：熱中性子吸収体（カドミウム）
２０５：中性子検出器
３０１：カドミウムからなる熱中性子吸収体
３０２：ポリエチレンからなる中性子減速体
３０３：中性子検出器
５０１：照射中性子成分
５０２：核分裂中性子計数成分
７０１：熱中性子
７０２：エピサーマル中性子
７０３：高速中性子が減速した熱中性子
７０４：高速中性子に起因するエピサーマル中性子
７０５：減速されずに到達した高速中性子
８０１：高速中性子に起因する熱中性子
８０２：高速中性子に起因するエピサーマル中性子
９０１：高速中性子に起因する熱中性子
１００１：高速中性子に起因するエピサーマル中性子
１００２：減速せずに検出器領域まで侵入してきた高速中性子
２００１：中性子発生管からの問い掛け中性子成分
２００２：核分裂中性子計数成分
３００１：問い掛け中性子
３００２：核分裂中性子計数成分

Claims (2)

1. 中性子反射体の内側に、検査対象の放射性廃棄物固体を中心として、検出器バンクと、中性子発生管と、を対向する位置に配置してなる、放射性廃棄物固体の核分裂性物質の非破壊測定装置であって、当該検出器バンクは、
   中性子検出器と、
   当該中性子検出器の周囲を完全に取り囲むカドミウムからなる熱中性子吸収体と、
   当該熱中性子吸収体の周囲を完全に取り囲むポリエチレンからなる中性子減速体と、
   当該中性子減速体の周囲を完全に取り囲むホウ素含有物質からなる熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体と、
   当該熱中性子及びエピサーマル中性子吸収体の周囲を取り囲む構造材と
   を具備し、
   中性子検出器内の高速中性子に起因するエピサーマル中性子と減速せずに到達した高速中性子とを選択的に検出する非破壊測定装置。
2. 前記ホウ素含有物質は、ホウ素又は炭化ホウ素である、請求項１に記載の非破壊測定装置。