JP7614979B2 - Neutron monitoring device and method for managing criticality of spent nuclear fuel - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、中性子モニタ装置及び使用済み核燃料の臨界管理方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a neutron monitoring device and a method for managing criticality of spent nuclear fuel.
一般に原子力発電プラントで使用された使用済み核燃料は、所定期間冷却された後に輸送容器に収納されて、中間貯蔵施設または再処理施設へ運ばれる。この中間貯蔵施設に送られた使用済み核燃料は、数10年の間さらに冷却された後に永久処分されるか再処理施設へ送られる。 Spent nuclear fuel used in nuclear power plants is generally cooled for a specified period of time, then stored in transport containers and transported to an intermediate storage facility or a reprocessing facility. Spent nuclear fuel sent to this intermediate storage facility is further cooled for several decades before being permanently disposed of or sent to a reprocessing facility.
再処理施設では、輸送容器から使用済み核燃料を取り出して、発電プラントからの輸送データと実物との照合、あるいは燃焼度などの非破壊検査により、使用済み核燃料が正しく輸送されたことを確認する。そして、この使用済み核燃料は、適当な期間貯蔵された後に、所定のスケジュールに従って再処理される。 At the reprocessing facility, the spent nuclear fuel is removed from the transport container and transport data from the power plant is compared with the actual item, and non-destructive testing such as burnup is conducted to confirm that the spent nuclear fuel was transported correctly. After being stored for an appropriate period of time, the spent nuclear fuel is reprocessed according to a prescribed schedule.
再処理施設における再処理工程については、先ず、被覆管の内部に核燃料ペレットを充填した棒状の使用済燃料棒は、3~5cm程度の長さに剪断され、沸騰硝酸にて溶解されて燃料溶液(水相)となる。しかし、被覆管は溶解されずに溶解残査(ハル)として処理される。 In the reprocessing process at a reprocessing facility, first, rod-shaped spent fuel rods, which have nuclear fuel pellets packed inside their cladding tubes, are sheared to lengths of about 3-5 cm and dissolved in boiling nitric acid to become a fuel solution (aqueous phase). However, the cladding tubes do not dissolve and are treated as dissolved residue (hulls).
燃料溶液は、臨界安全性確保の基準に沿って濃度調節が行われ、その後に核分裂生成物や、超プルトニウム元素の除去が行われる。次いで残留したウラン(U)及びプルトニウム(Pu)がTBP(リン酸トリブチル)有機相で互いに分離精製される。これらの工程は、多段のプロセスに亘って行われるが、各段においても多くの処理槽や処理搭が存在する。 The concentration of the fuel solution is adjusted in accordance with standards for ensuring criticality safety, after which fission products and transplutonium elements are removed. The remaining uranium (U) and plutonium (Pu) are then separated and refined in a TBP (tributyl phosphate) organic phase. These steps are carried out over a multi-stage process, with many processing tanks and towers at each stage.
ところで、上記再処理施設の再処理工程において、プルトニウムやウランなどの核燃料物質を常時取り扱う装置においては、中性子実効増倍率が1未満となるようにして、臨界にならないように臨界安全設計を行っている。すなわち、これらの各装置においては、供給される溶液の酸性度、その中のプルトニウム及びウランなどの核燃料物質濃度、さらに硝酸水溶液、有機溶媒中のプルトニウム、ウラン成分濃度の異常時も考慮し、変動し得る変化に対しても常に未臨界になるように形状寸法や、容積などを制限した設計をしている。 In the reprocessing process at the reprocessing facility, the equipment that constantly handles nuclear fuel materials such as plutonium and uranium is designed to have an effective neutron multiplication factor of less than 1 to ensure that it does not go critical. That is, each of these devices is designed to limit the shape, dimensions, volume, etc., so that it always remains subcritical even in the face of possible changes, taking into consideration the acidity of the solution supplied, the concentration of nuclear fuel materials such as plutonium and uranium in it, and even abnormalities in the concentration of plutonium and uranium components in the nitric acid aqueous solution and organic solvent.
一方、上記各機器に附属するプルトニウム濃度による臨界管理を行う機器は、通常の運転時にはプルトニウム量は少量であるか、または、ほとんど流れ込まないために、処理効率を考慮して機器の形状寸法、容積の制限を緩めた設計としている。 On the other hand, the equipment attached to each of the above devices that controls criticality based on plutonium concentration is designed with relaxed restrictions on the shape, dimensions, and volume of the equipment, taking into account processing efficiency, since only small amounts of plutonium or almost no plutonium flow into the equipment during normal operation.
しかし、万一何らかの原因によってプルトニウムが漏洩して、臨界となる可能性も考えられることから、中性子検出器やγ線検出器を各所に設置することにより、放射線レベルの上昇を検出すると共に警報を発して、運転員や各所要員に危険を知らせたり、運転員の判断によって再処理工程の一部を停止するなどの措置が採られている。 However, in the unlikely event that plutonium were to leak for some reason and cause criticality to occur, measures have been taken such as installing neutron and gamma ray detectors in various locations to detect increases in radiation levels and sound an alarm to alert operators and other personnel to the danger, or halting part of the reprocessing process at the discretion of the operators.
再処理工程における臨界管理上で、特に重要な核種はプルトニウムであり、上記のように従来は、プルトニウムからの中性子発生数のレベルを測定して未臨界となるように管理をしているが、プルトニウムからの中性子発生数とプルトニウムの濃度は必ずしも比例するものではない。これはプルトニウムからの中性子発生数が、プルトニウム同位体組成比によって大きく変化し、また、プルトニウムの同位体組成比は、再処理燃料の初期ウラン濃縮度や照射履歴によっても大きく異なるためである。 Plutonium is a particularly important nuclide in terms of criticality control in the reprocessing process, and as mentioned above, conventionally, the level of neutron emissions from plutonium has been measured to ensure subcriticality, but the number of neutrons emitted from plutonium is not necessarily proportional to the concentration of plutonium. This is because the number of neutrons emitted from plutonium varies greatly depending on the plutonium isotope composition ratio, and the plutonium isotope composition ratio also varies greatly depending on the initial uranium enrichment and irradiation history of the reprocessed fuel.
また、使用済み混合酸化物(MOX)燃料の再処理を行う場合は、プルトニウム取扱量が増え、さらに、プルトニウム同位体組成の幅が大きくなる可能性もある。MOX燃料の場合は、ウランではなくプルトニウムが核分裂性物質である。プルトニウムには、核分裂性の同位体であるPu239やPu241の他に核分裂を起こしにくいPu240やPu242も含まれる。MOX燃料の新燃料中のプルトニウム同位体組成にはある程度ばらつきがある。これは、使用済みウラン燃料の運転履歴により、生成されるプルトニウム同位体組成がばらつくことによる。例えば、より高燃焼度のウラン燃料は、低燃焼度のウラン燃料より全Pu同位体中のPu240やPu242の割合が大きいことが知られている。また、MOX燃料の製造時は、反応度のばらつきを抑えるために、Pu中の核分裂性同位体(Pu239とPu241)を保存するように燃料中に全プルトニウム同位体が含まれる量(プルトニウム初期富化度)が調整される。これは「反応度補償設計」と呼ばれる。この結果、Pu240やPu242の核分裂性でないPuの割合のばらつきはさらに増加する。 In addition, when reprocessing spent mixed oxide (MOX) fuel, the amount of plutonium handled may increase, and the range of plutonium isotope compositions may also become wider. In the case of MOX fuel, plutonium, not uranium, is the fissile material. In addition to the fissile isotopes Pu-239 and Pu-241, plutonium also contains Pu-240 and Pu-242, which are less likely to undergo fission. There is a certain degree of variation in the plutonium isotope composition in new MOX fuel. This is because the operational history of the spent uranium fuel causes variation in the plutonium isotope composition produced. For example, it is known that higher burnup uranium fuel contains a larger proportion of Pu-240 and Pu-242 in the total Pu isotopes than lower burnup uranium fuel. In addition, when MOX fuel is manufactured, the amount of all plutonium isotopes in the fuel (initial plutonium enrichment) is adjusted to preserve the fissile isotopes in Pu (Pu-239 and Pu-241) in order to suppress variation in reactivity. This is called "reactivity compensation design." As a result, the variation in the proportion of non-fissile Pu such as Pu-240 and Pu-242 increases even more.
また、使用済み燃料中にはキュリウム等のプルトニウムより多くの中性子を発生する元素が少量であるが存在し、通常、これらの元素は前工程で取り除かれるが、何らかの工程の異常により本工程に混入した場合、中性子計数率の上昇が生じ、誤警報を発生する可能性がある。上記キュリウム等の混入も、MOX燃料においては含有率が高く、誤警報のリスクが増加する可能性がある。 In addition, spent fuel contains small amounts of elements such as curium, which emit more neutrons than plutonium. Normally, these elements are removed in upstream processes, but if they are mixed in during this process due to some process abnormality, the neutron count rate will increase, which could cause a false alarm. The above-mentioned curium and other contaminants are also present in high concentrations in MOX fuel, which could increase the risk of false alarms.
このために、中性子発生数より未臨界の程度(未臨界度)を一意に決定することはできず、一般に臨界安全管理を行う上では最も保守的な値を採用するため、最も大きなマージンをとらざるを得ない。 For this reason, the degree of subcriticality (subcriticality) cannot be uniquely determined from the number of neutrons produced, and in general, the most conservative value is adopted when performing criticality safety management, which means that the largest possible margin must be taken.
その結果、臨界警報設定値に相当する中性子発生率のレベルは、最も安全側となるレベル、すなわち、考え得る中性子発生率の最低値に設定しなければならなかった。この設定によると、場合によっては十分未臨界である状態でも、中性子発生率が警報レベルに達してしまうことから、その都度再処理施設の運転を停止するということになり、再処理施設の稼動効率が低下する可能性があった。 As a result, the neutron generation rate level corresponding to the criticality alarm setting had to be set to the safest level, i.e., the lowest conceivable neutron generation rate. With this setting, in some cases the neutron generation rate could reach the alarm level even in a fully subcritical state, meaning that the reprocessing facility would have to be shut down each time this occurred, potentially reducing the operating efficiency of the facility.
従来の方法は、プルトニウム同位体組成を何らかの方法で推定し、プルトニウム濃度と中性子数の関係の精度を向上させるものであったが、追加設備としての計測装置や分析装置が必要であることや、キュリウム等の混入に対する中性子計数率の変動には、対応が困難等の課題があった。 Conventional methods involve estimating the plutonium isotopic composition in some way to improve the accuracy of the relationship between plutonium concentration and neutron count, but they have issues such as the need for additional measuring and analytical equipment, and the difficulty of dealing with fluctuations in the neutron count rate due to the inclusion of curium, etc.
未臨界度の指標としては、中性子実効増倍率kが用いられる。kは中性子生成と中性子消滅の比であり、k=1で臨界、k<1の時、未臨界である。未臨界度を表す際に、ドル単位が用いられることがある。遅発中性子生成割合βを用いて、k/β がドルと呼ばれる。実際に燃料が臨界となった場合でも、即時に爆発的なエネルギーが放出されるわけではない。kがβを超えたときに、“即発臨界”と呼ばれる制御不能の状態になる。この時に1ドルの反応度が投入されたとされる。1ドルの1/100としてセントが使われるときもある。未臨界の際はk<1であるが、kが1から離れて小さい時に未臨界度が“深い”、kが1に近い時、未臨界度が“浅い”ともいう。 The neutron effective multiplication factor k is used as an indicator of subcriticality. k is the ratio of neutron production to neutron annihilation; k = 1 indicates criticality, and k < 1 indicates subcriticality. The unit dollar is sometimes used to express subcriticality. Using the delayed neutron production rate β, k/β is called a dollar. Even if the fuel actually becomes critical, explosive energy is not released immediately. When k exceeds β, it becomes an uncontrollable state called "prompt criticality". At this time, a reactivity of 1 dollar is said to have been input. Sometimes cents are used as 1/100 of a dollar. When subcritical, k < 1, but when k is small and far from 1, the subcriticality is said to be "deep", and when k is close to 1, the subcriticality is said to be "shallow".
現在知られている未臨界度測定技術としては、
(1)負のペリオド法、(2)制御棒落下法、(3)補償法、(4)中性子源増倍法、(5)逆動特性法、(6)炉雑音解析法、(7)パルス中性子源法、
が挙げられる。これらの方法の内、(1)、(2)、(3)の方法は臨界となる原子炉に使用されるものであり、常に未臨界である再処理工程には適さない。また(7)の方法は、原子炉を臨界状態にすることなく、未臨界度の絶対測定が可能であるが、原子炉内に中性子パルスを入射する加速器を必要とする点で、新たな大型の追加設備が必要となり、既存の再処理工程への適用は困難である。このため、(4)~(6)の方法が適している。
Currently known subcriticality measurement techniques include:
(1) Negative period method, (2) Control rod drop method, (3) Compensation method, (4) Neutron source multiplication method, (5) Inverse dynamics method, (6) Reactor noise analysis method, (7) Pulsed neutron source method,
Among these methods, methods (1), (2), and (3) are used for reactors that go critical, and are not suitable for reprocessing processes that are always subcritical. Method (7) allows for absolute measurement of the degree of subcriticality without bringing the reactor to a critical state, but requires an accelerator to inject neutron pulses into the reactor, which necessitates new large additional equipment and is difficult to apply to existing reprocessing processes. For these reasons, methods (4) to (6) are more suitable.
(4)の中性子源増倍法は、数十ドル程度の深い未臨界度まで測定可能であるが、既知の未臨界状態での校正が必要である。従来技術で示したプルトニウムからの中性子を測定し、未臨界を監視する技術は、(4)の中性子源増倍法に相当し、通常、校正用中性子源を用いた校正が定期的に行われる。一方、上述のように、プルトニウム組成変動やキュリウムの混入といった中性子強度の変動による誤警報という課題がある。 The neutron source multiplication method (4) can measure subcriticality down to a depth of several tens of nuclei, but requires calibration in a known subcritical state. The technology for measuring neutrons from plutonium and monitoring subcriticality shown in the prior art corresponds to the neutron source multiplication method (4), and is usually calibrated periodically using a calibration neutron source. However, as mentioned above, there is an issue of false alarms due to fluctuations in neutron intensity, such as changes in plutonium composition or the inclusion of curium.
また、(5)の逆動特性法、あるいは、(6)の炉雑音解析法がその校正値を与える手段となり得ること、が例えば非特許文献1に報告されている。
In addition, it has been reported, for example in Non-Patent
(5)の逆動特性法は、未臨界の状態が変動した時に、その時間変化から未臨界度を推定するものであり、例えば特許文献2では、時系列データから中性子源強度を推定し、未臨界度を推定する手法が述べられている。また、臨界に近づくほど感度が高くなるため、急激に臨界に近づいた場合の警報に適している。
The inverse dynamics method (5) estimates the degree of subcriticality from the time change when the subcritical state fluctuates. For example,
また、逆動特性法よりシンプルな方法として、ペリオド監視も同様に臨界に近づいた際の警報に適している。ペリオドは中性子計数率がe倍になる時間として定義される。ペリオドから直接未臨界度を算出することは困難であるが、例えばペリオドが100秒程度より短くなったら警報を出すなどで臨界近接を検知することは可能である。ペリオド監視は原子炉の運転においても適用されているため、実績のある方法である。逆動特性法のような、複雑な時系列データの処理が不要であるため、シンプルな回路構成とすることができる。また、逆動特性法と併用することも可能である。一方、逆動特性法もペリオド法も臨界に近づいた場合や、未臨界度が時間的に変化する場合には適しているが、深い未臨界度や、未臨界度の時間的変化が小さい場合には適用が難しい。 As a method simpler than the inverse dynamics method, period monitoring is also suitable for warning when criticality is approached. The period is defined as the time when the neutron count rate becomes e times higher. Although it is difficult to directly calculate the subcriticality from the period, it is possible to detect the approach of criticality by, for example, issuing an alarm when the period becomes shorter than about 100 seconds. Period monitoring is also used in the operation of nuclear reactors, so it is a proven method. Since it does not require the processing of complex time-series data, as in the inverse dynamics method, it can be configured with a simple circuit. It can also be used in conjunction with the inverse dynamics method. On the other hand, both the inverse dynamics method and the period method are suitable when criticality is approached or when the subcriticality changes over time, but it is difficult to apply to deep subcriticality or when the change in subcriticality over time is small.
(6)の炉雑音解析法には、(8)ロッシα法、(9)ファインマンα法、(10)折れ点周波数法、(11)ミハルゾ法があり、非特許文献1で用いられている炉雑音解析法は(10)の折れ点周波数法である。
The reactor noise analysis methods in (6) include (8) the Rossi alpha method, (9) the Feynman alpha method, (10) the breakpoint frequency method, and (11) the Mihalzo method. The reactor noise analysis method used in
(8)のロッシα法は、原子炉で観測される中性子パルス相互間の時間間隔τの分布がポアソン分布からずれてe-ατに比例する成分を持つことから即発中性子減衰定数αを得て、即発中性子減衰定数αと中性子増倍率kの関係
α={1-(1-β)k}/L ……(1)
より、遅発中性子生成割合β、即発中性子寿命Lを与えて中性子増倍率を得るものである(例えば「原子炉物理実験」 コロナ社 参照。)。
The Rossi α method in (8) obtains the prompt neutron attenuation constant α from the distribution of the time interval τ between neutron pulses observed in a nuclear reactor, which deviates from the Poisson distribution and has a component proportional to e -ατ . The relationship between the prompt neutron attenuation constant α and the neutron multiplication factor k is α={1-(1-β)k}/L ……(1)
The neutron multiplication factor is obtained by giving the delayed neutron production rate β and the prompt neutron lifetime L (see, for example, "Nuclear Reactor Physics Experiments" Corona Publishing).
(9)のファインマンα法は、一定時間幅内の中性子パルスの計数値Mの分散対平均比がポアソン分布の場合の「1」からずれることを利用して、(8)のロッシα法と同様に即発中性子減衰定数αを得るものである(例えば非特許文献2参照。)。 The Feynman α method in (9) uses the fact that the variance-to-mean ratio of the count value M of a neutron pulse within a certain time width deviates from "1" in the case of a Poisson distribution to obtain the prompt neutron decay constant α in the same way as the Rossi α method in (8) (see, for example, Non-Patent Document 2).
(10)の折れ点周波数法は、中性子計数率の周波数特性が未臨界状態における原子炉伝達関数で定まり、その折点角周波数が即発中性子減衰定数αに一致することを利用するものである。 The break point frequency method (10) utilizes the fact that the frequency characteristics of the neutron count rate are determined by the reactor transfer function in a subcritical state, and that the break point frequency coincides with the prompt neutron attenuation constant α.
このように(8)~(10)の方法はいずれも即発中性子減衰定数αを求め、式(1)に遅発中性子生成割合β、即発中性子寿命Lを与えて中性子増倍率を得るものである。これらに対して、(11)のミハルゾ法は、中性子増倍率の絶対測定が可能であるが、中性子源Cf-252を内蔵した特殊な中性子検出器を原子炉の炉心や対象とする体系に設置する必要があり、既存の再処理工程に新たな設備導入が必要であり、適用は難しい。 In this way, all of methods (8) to (10) calculate the prompt neutron decay constant α, and then input the delayed neutron production rate β and the prompt neutron lifetime L into equation (1) to obtain the neutron multiplication factor. In contrast, the Mihalzo method (11) allows for absolute measurement of the neutron multiplication factor, but requires the installation of a special neutron detector with a built-in Cf-252 neutron source in the reactor core and the target system, which requires the introduction of new equipment into the existing reprocessing process, making it difficult to apply.
以上の技術はいずれも原子炉の中性子増倍率を測定する目的で開発されたものであるが、特許文献1では原子炉から取り出した使用済み燃料集合体を収納ラック、輸送・貯蔵容器に収納する場合に、(8)のロッシα法あるいは(9)のファインマンα法を適用して臨界安全性を監視する技術が開示されている。
All of the above technologies were developed for the purpose of measuring the neutron multiplication factor of a nuclear reactor, but
遅発中性子割合βや即発中性子寿命Lは、解析で事前に与える。再処理工程の場合、溶解槽などの形状は固定されており、また、溶液と核分裂物質の割合もほぼ一定であることから、βやLの変化は小さく、解析で与えることによる誤差の影響は小さいと考えられる。 The delayed neutron fraction β and prompt neutron lifetime L are given in advance in the analysis. In the case of the reprocessing process, the shape of the dissolution tank and other equipment is fixed, and the ratio of the solution to the fissile material is also almost constant, so the changes in β and L are small, and the impact of errors caused by giving them in the analysis is thought to be small.
上述した(8)~(10)の方法は、既存の中性子検出器からの時系列データを処理することで未臨界度を推定できることから、新たな設備導入が不要である。(8)~(10)の方法の内、深い未臨界度でも適用可能と考えられるのは、(9)のファインマンα法のみであり、再処理工程に適した方法である。 The above methods (8) to (10) can estimate the degree of subcriticality by processing time-series data from existing neutron detectors, so there is no need to introduce new equipment. Of the methods (8) to (10), only the Feynman alpha method (9) is considered applicable to deep subcriticality, and is a method suitable for the reprocessing process.
一方、特許文献1にも記載の通り、ファインマンα法は、減衰定数αの導出に、分散と平均から得られる係数Yの測定時間に関する分布からフィッティングによる操作が必要であり、フィッティングを行うためには統計精度を向上させるため、数分から数十分の時間が必要であり、時間遅れが生じる。このため、アラームが出た際に即時に異常の判断を行うことが難しい。
On the other hand, as described in
本発明は、このような従来の事情を考慮してなされたもので、中性子計数率の変動があった場合に、その原因が未臨界度の変動か、プルトニウムの同位体組成の変動やキュリウム等の妨害核種による中性子発生数の変動かを、時間遅れなく判定することができ、再処理施設の稼動率を向上することのできる中性子モニタ装置及び臨界管理方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned conventional circumstances, and aims to provide a neutron monitor and criticality control method that can determine without time delay whether a change in the neutron count rate is due to a change in subcriticality, a change in the isotopic composition of plutonium, or a change in the number of neutrons generated due to interfering nuclides such as curium, thereby improving the operation rate of reprocessing facilities.
実施形態の中性子モニタ装置は、再処理施設における再処理工程においてプルトニウムからの中性子計数率を測定する中性子計数率測定手段と、前記中性子計数率からプルトニウム濃度を算出し、当該プルトニウム濃度が設定値を超えた場合警報を発生するプルトニウム濃度監視手段と、このプルトニウム濃度監視手段において発生した前記警報の発生後、前記中性子計数率の時系列データからペリオドを算出し、当該ペリオドが設定値より短い場合に異常ありと判断して工程を停止するペリオド監視手段と、前記ペリオド監視手段において前記ペリオドが設定値以下の場合において、前記中性子計数率の時系列データから、ある測定時間幅に対する複数の前記中性子計数率のデータの分散と平均の比である分散対平均比を算出し、当該分散対平均比が設定値を超えた場合に異常ありと判断して工程を停止する分散対平均比監視手段と、前記分散対平均比監視手段によって算出された前記分散対平均比が設定値以下の場合は、原子炉雑音法に基づき、即発中性子減衰定数αを算出し、当該即発中性子減衰定数αと、予め解析で求めておいた遅発中性子割合βと、即発中性子寿命Lとを用いて中性子増倍率を算出して未臨界度を求め、異常を検知する手段と、を具備することを特徴とする。
A neutron monitor device according to an embodiment includes a neutron count rate measuring means for measuring a neutron count rate from plutonium in a reprocessing process in a reprocessing facility , a plutonium concentration monitoring means for calculating a plutonium concentration from the neutron count rate and generating an alarm if the plutonium concentration exceeds a set value, a period monitoring means for calculating a period from time series data of the neutron count rate after the alarm is generated by the plutonium concentration monitoring means and determining that an abnormality has occurred and stopping the process if the period is shorter than a set value, and a neutron count rate measuring means for measuring a neutron count rate from plutonium in a reprocessing process in a reprocessing facility. a variance-to-mean ratio monitoring means for calculating a variance-to-mean ratio, which is the ratio of the variance to the mean of a plurality of neutron count rate data for a certain measurement time width, from time-series data of the neutron count rate, and determining that an abnormality has occurred and stopping the process if the variance-to-mean ratio exceeds a set value; and a means for calculating a prompt neutron decay constant α based on a reactor noise method if the variance-to-mean ratio calculated by the variance-to-mean ratio monitoring means is equal to or less than a set value, and calculating a neutron multiplication factor using the prompt neutron decay constant α, a delayed neutron fraction β obtained in advance by analysis, and a prompt neutron lifetime L to determine the degree of subcriticality and detect the abnormality .
実施形態によれば、中性子計数率の変動があった場合に、その原因が未臨界度の変動か、プルトニウムの同位体組成の変動やキュリウム等の妨害核種による中性子発生数の変動かを、時間遅れなく判定することができ、再処理施設の稼動率を向上させることのできる中性子モニタ装置及び臨界管理方法を提供することができる。 According to the embodiment, when there is a change in the neutron count rate, it is possible to determine without time delay whether the cause is a change in subcriticality, a change in the isotopic composition of plutonium, or a change in the number of neutrons generated due to interfering nuclides such as curium, and it is possible to provide a neutron monitor device and a criticality control method that can improve the operation rate of reprocessing facilities.
以下、実施形態に係る中性子モニタ装置及び使用済み核燃料の臨界管理方法を、図面を参照して説明する。 Below, the neutron monitor device and the method for criticality management of spent nuclear fuel according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
図1、図2は、実施形態に係る中性子モニタ装置及び使用済み核燃料の臨界管理方法を、再処理施設における溶解槽のプルトニウム濃度監視に適用した例の構成を示しており、図1はブロック図、図2はフロー図である。 Figures 1 and 2 show the configuration of an example in which a neutron monitor device and a method for criticality control of spent nuclear fuel according to an embodiment are applied to monitoring the plutonium concentration in a dissolution tank in a reprocessing facility, with Figure 1 being a block diagram and Figure 2 being a flow diagram.
図1に示すように、溶解槽3には、中性子検出器1と、中性子検出器2の2つの検出器が設けられている。また、実施形態に係る中性子モニタ装置は、中性子計数率測定部101、プルトニウム濃度監視部102、時系列データ分析部103、ペリオド監視部104、分散対平均比監視部105、ファインマンα監視部106、未臨界度算出部107を備えている。
As shown in FIG. 1, the
通常の工程では、中性子はプルトニウムから発生し、また、プルトニウム組成も一定の範囲に収まっているため、プルトニウム濃度と中性子計数率は比例する。このため、制限したいプルトニウム濃度に対応する中性子計数率を予め設定し、中性子検出器1、中性子検出器2から得られた検出信号から中性子計数率測定部101にて中性子計数率を求め(図2のステップ201)、プルトニウム濃度監視部102にて中性子計数率を設定値と比較して監視する(図2のステップ202)。
In the normal process, neutrons are generated from plutonium, and the plutonium composition is within a certain range, so the plutonium concentration and the neutron count rate are proportional. For this reason, a neutron count rate corresponding to the plutonium concentration to be restricted is preset, and the neutron count rate is obtained from the detection signals obtained from
そして、中性子計数率が設定値以下の場合は異常なしと判断して監視を継続する(図2のステップ202のYes)。一方、中性子計数率が設定値を超えた場合は(図2のステップ202のNo)、警報を発生する(図2のステップ203)。
If the neutron count rate is equal to or lower than the set value, it is determined that there is no abnormality and monitoring continues (Yes in
警報発生後、時系列データ分析部103にて中性子計数率の時系列データを分析し(図2のステップ204)、ペリオド監視部104にてペリオド監視を行う。そして、ペリオドを設定値と比較してペリオドが設定値より早い場合は(図2のステップ205のYes)、異常ありと判断して工程を停止する(図2のステップ206)。
After an alarm is issued, the time series data of the neutron count rate is analyzed by the time series data analysis unit 103 (
一方、ペリオドが設定値以下の場合は(図2のステップ205のNo)、分散対平均比監視部105にて分散対平均比を算出し(図2のステップ207)、その監視を行う。そして、分散対平均比の値を設定値と比較して分散対平均比が設定値より高い場合は(図2のステップ208のYes)、異常ありと判断して工程を停止する(図2のステップ209)。
On the other hand, if the period is equal to or less than the set value (No in
一方、分散対平均比が設定値以下の場合は(図2のステップ208のNo)、異常がなく、未臨界度の変動がないと判断するが、工程を停止することなく、念のため、測定時間をかけてファインマンα監視部106により、ファインマンα法による分析を開始し(図2のステップ210)、未臨界度算出部107にて未臨界度を算出する(図2のステップ211)。
On the other hand, if the variance-to-mean ratio is equal to or less than the set value (No in
ファインマンαの監視では、後述の図5に示されるように、α値の導出にはY値と測定時間間隔(ゲート幅)の精度良い分布が必要であるが、ゲート幅が大きくなった時にY値が飽和するYsatそのものも大きく変化する。Ysatは分散対平均比から1を引いたものであり、分散対平均比もまた同様の動きをする。したがって、本実施形態のように、あるゲート幅、例えば0.1秒での、分散対平均比のみを監視しているだけでも異常を検知することができる。この場合、例えば、数十秒程度の計測でも判断が可能であり、時間遅れなく異常を検知できる。 In monitoring Feynman α, as shown in FIG. 5 described later, accurate distribution of Y values and measurement time intervals (gate width) is required to derive the α value, but Ysat itself, at which the Y value saturates when the gate width becomes large, also changes significantly. Ysat is the variance-to-mean ratio minus 1, and the variance-to-mean ratio also behaves in a similar manner. Therefore, as in this embodiment, an abnormality can be detected simply by monitoring the variance-to-mean ratio over a certain gate width, for example, 0.1 seconds. In this case, a judgment is possible even with measurements over a period of several tens of seconds, and an abnormality can be detected without time delay.
以下に、ファインマンα法の具体的な処理方法を述べる。
放射性崩壊の頻度はポアソン分布に基づいているが、中性子が同時に複数個発生する場合や、核分裂性物質による連鎖反応が生じる場合は、ポアソン分布からずれることが知られている(例えば、非特許文献2参照。)。ポアソン分布からのずれの指標として、分散と平均の比(分散対平均比)が用いられる。ある時間間隔ti~ti+Δtの中性子カウントをM(i)とし、imax個のデータがあるとすると、平均、分散、分散/平均比は以下のように表せる。
A specific processing method of the Feynman α method will be described below.
The frequency of radioactive decay is based on the Poisson distribution, but it is known that it deviates from the Poisson distribution when multiple neutrons are generated simultaneously or when a chain reaction occurs due to fissile material (see, for example, Non-Patent Document 2). The ratio of the variance to the mean (variance-to-mean ratio) is used as an index of deviation from the Poisson distribution. If the neutron count for a certain time interval t i to t i +Δt is M(i) and there are imax pieces of data, the mean, variance, and variance/mean ratio can be expressed as follows:
平均
分散
分散/平均比
Y=Ysat[1-{1-exp(-αΔt)}/αΔt]
ここでYsatは定数である。
Y=Ysat[1-{1-exp(-αΔt)}/αΔt]
where Ysat is a constant.
Δtと得られたYをプロットし、上記の関数でフィッティングすることで即発中性子減衰定数α値を得る。図5のグラフは、臨界実験装置(Toshiba Critical Assembly:NCA)で得られた実験の一例の結果を示しているが、ゲート幅(Δt)とYの関係から即発中性子減衰定数αを得ることができていることがわかる。なお、図中に示される水位は、臨界実験装置の炉心タンクの水位(mm)を示している。高い水位の方が中性子増倍率が高く、水位1000は900より臨界に近い状態である。ゲート幅が上述のΔtに相当する。なお、定数Cもフィッティングにより同時に求めることができる。 The prompt neutron attenuation constant α is obtained by plotting Δt and the obtained Y and fitting it with the above function. The graph in Figure 5 shows the results of an example of an experiment performed at the Toshiba Critical Assembly (NCA), and it can be seen that the prompt neutron attenuation constant α can be obtained from the relationship between the gate width (Δt) and Y. The water level shown in the figure indicates the water level (mm) of the core tank of the critical experiment assembly. The higher the water level, the higher the neutron multiplication factor, and a water level of 1000 is closer to the critical state than 900. The gate width corresponds to the above-mentioned Δt. The constant C can also be found at the same time by fitting.
予め中性子輸送解析で求めておいた遅発中性子割合βと即発中性子寿命Lと、以下に示す前述した関係式(1)を用いて中性子増倍率kを得る。
α={1-(1-β)k}/L (1)
The neutron multiplication factor k is obtained using the delayed neutron fraction β and prompt neutron lifetime L previously obtained by neutron transport analysis, and the above-mentioned relational expression (1) shown below.
α={1-(1-β)k}/L (1)
この方法は、中性子計数率の絶対値に依存しないので、キュリウム等の妨害核種の影響やプルトニウム組成変動による中性子計数率の変動に影響されず、中性子増倍率kを推定できるという利点がある。 This method does not depend on the absolute value of the neutron count rate, and therefore has the advantage of being able to estimate the neutron multiplication factor k without being affected by the influence of interfering nuclides such as curium or fluctuations in the neutron count rate due to variations in the plutonium composition.
なお、図1では、ファインマンα法による時系列データの分析を行っているが、ロッシα法や折れ点周波数法を用いてもよい。Cf-252中性子源という特殊な中性子検出器が準備できるなら、ミハルゾ法を用いてもよい。 In Figure 1, the time series data is analyzed using the Feynman alpha method, but the Rossi alpha method or the breakpoint frequency method may also be used. If a special neutron detector such as a Cf-252 neutron source is available, the Mihalzo method may also be used.
予め通常時に行っておいた未臨界度の推定値と比較し、未臨界度が変動している場合は、プルトニウム濃度そのものの上昇が考えられる。未臨界度に変動がない場合は、妨害核種や想定外のプルトニウム組成の原因が考えられる。 If the subcriticality fluctuates compared to the estimated value of subcriticality made in advance under normal circumstances, this may be due to an increase in the plutonium concentration itself. If there is no change in the subcriticality, this may be due to an interfering nuclide or an unexpected plutonium composition.
複数の情報を元に分析することで、原因を早期に突き止め、工程中止の判断を行った場合でも、早期の復旧につなげることができる。 By analyzing multiple pieces of information, the cause can be identified early, leading to a quick recovery even if a decision is made to halt the process.
なお、時系列データの分析は常時、バックアップとして実行しておき、通常時は工程の異常の有無には使用せず、中性子計数率が異常に上昇した時のみに使用してもよい。 In addition, analysis of time-series data can be run at all times as a backup and not normally used to check for process abnormalities, but only when the neutron count rate increases abnormally.
図3、図4は、図1、図2に示した実施形態の変形例(第2実施形態)を示しており、図1、図2に対応する部分には同一の符号が付してある。図3、図4に示す実施形態では、図1、図2に示した実施形態の構成に加えて、逆動特性監視を行う逆動特性監視部108と、逆動特性監視の結果に基づいて未臨界度を算出する未臨界度算出部109を設けたものである(図4のステップ212、ステップ213)。逆動特性法によっても未臨界度を算出できるが、未臨界度が深い場合は感度が低い。未臨界度が浅い場合、すなわち中性子増倍率kが1に近い場合は、感度が高く、応答も早い。一方、原子炉雑音解析は、計数を蓄積させる必要があるため、数分から数十分の時間が必要となる。したがって、中性子増倍率kが1に近いような場合に逆動特性監視による未臨界度算出を行うことが有効である。
Figures 3 and 4 show a modified example (second embodiment) of the embodiment shown in Figures 1 and 2, and parts corresponding to Figures 1 and 2 are given the same reference numerals. In the embodiment shown in Figures 3 and 4, in addition to the configuration of the embodiment shown in Figures 1 and 2, an inverse
また、ペリオドを算出する場合、計数率の変動が大きく、正しい値を算出できない場合がある。その場合は、1次遅れフィルターや移動平均等のフィルター処理を行うことで、時間変動を緩和することができる。
例えば、一次遅れフィルターの場合、以下のような処理を行う。
N(i)=(1-w)・n(i)+w・N(i-1)
N(i):i番目のフィルター処理後の係数率
n(i):i番目のフィルター処理前の係数率
w:一次遅れのウェイト(0~1)
Also, when calculating the period, the counting rate may fluctuate greatly and the correct value may not be calculated. In such cases, the time fluctuation can be mitigated by using a first-order lag filter or a moving average filter.
For example, in the case of a first-order lag filter, the following processing is performed.
N(i)=(1-w)・n(i)+w・N(i-1)
N(i): Coefficient rate after the i-th filter process n(i): Coefficient rate before the i-th filter process w: First-order lag weight (0 to 1)
また、ファインマンα法において、分散の代わりに中性子検出器1と中性子検出器2の共分散を用いてもよい。共分散を用いる原子炉雑音解析は、例えば、「日本原子力学会誌vol.37,No.6 (1995) 共分散法に基づく実効遅発中性子割合の測定」等の文献にも示されている。
In addition, in the Feynman alpha method, the covariance of
原子力発電所の核計装では、γ線バックグラウンドの低減のため、しばしば検出器からの信号の2乗平均をとることがあり、これはMSV(Mean Squre Voltage)モードと呼ばれる。この2乗平均は上述の分散と同じ意味である。十分な信号強度がある場合は、分散の代わりにMSVモード信号を用いて、MSVモード信号の強度と平均信号強度の比をとることで分散対平均比を算出してもよい。 In nuclear instrumentation at nuclear power plants, the squared mean of the signal from the detector is often taken to reduce the gamma ray background, which is called MSV (Mean Square Voltage) mode. This squared mean has the same meaning as the variance mentioned above. If there is sufficient signal strength, the MSV mode signal can be used instead of the variance, and the variance-to-mean ratio can be calculated by taking the ratio of the MSV mode signal strength to the average signal strength.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
1……中性子検出器、2……中性子検出器、3……溶融槽、101……中性子計数率測定部、102……プルトニウム濃度監視部、103……時系列データ分析部、104……ペリオド監視部、105……分散対平均比監視部、106……ファインマンα監視部、107……未臨界度算出部。 1...Neutron detector, 2...Neutron detector, 3...Melting tank, 101...Neutron count rate measurement unit, 102...Plutonium concentration monitoring unit, 103...Time series data analysis unit, 104...Period monitoring unit, 105...Variance-to-mean ratio monitoring unit, 106...Feynman alpha monitoring unit, 107...Subcriticality calculation unit.
Claims (12)
前記中性子計数率からプルトニウム濃度を算出し、当該プルトニウム濃度が設定値を超えた場合に警報を発生するプルトニウム濃度監視手段と、
このプルトニウム濃度監視手段において発生した前記警報の発生後、前記中性子計数率の時系列データからペリオドを算出し、当該ペリオドが設定値より短い場合に異常ありと判断して工程を停止するペリオド監視手段と、
前記ペリオド監視手段において前記ペリオドが設定値以下の場合において、前記中性子計数率の時系列データから、ある測定時間幅に対する複数の前記中性子計数率のデータの分散と平均の比である分散対平均比を算出し、当該分散対平均比が設定値を超えた場合に異常ありと判断して工程を停止する分散対平均比監視手段と、
前記分散対平均比監視手段によって算出された前記分散対平均比が設定値以下の場合は、原子炉雑音法に基づき、即発中性子減衰定数αを算出し、当該即発中性子減衰定数αと、予め解析で求めておいた遅発中性子割合βと、即発中性子寿命Lとを用いて中性子増倍率を算出して未臨界度を求め、異常を検知する手段と、
を具備することを特徴とする中性子モニタ装置。 A neutron count rate measuring means for measuring a neutron count rate from plutonium in a reprocessing process in a reprocessing facility ;
a plutonium concentration monitoring means for calculating a plutonium concentration from the neutron count rate and generating an alarm when the plutonium concentration exceeds a set value;
a period monitoring means for calculating a period from the time series data of the neutron count rate after the alarm is generated in the plutonium concentration monitoring means , and determining that an abnormality has occurred and stopping the process if the period is shorter than a set value;
a variance-to-mean ratio monitoring means for calculating a variance-to-mean ratio, which is a ratio of the variance to the mean of a plurality of pieces of neutron count rate data for a certain measurement time width, from the time-series data of the neutron count rate when the period is equal to or less than a set value in the period monitoring means, and determining that an abnormality has occurred and stopping the process when the variance-to-mean ratio exceeds a set value;
means for calculating a prompt neutron attenuation constant α based on a reactor noise method when the variance-to-mean ratio calculated by the variance-to-mean ratio monitoring means is equal to or less than a set value , calculating a neutron multiplication factor using the prompt neutron attenuation constant α, a delayed neutron ratio β previously obtained by analysis, and a prompt neutron lifetime L to determine a degree of subcriticality and detect an abnormality ;
A neutron monitor device comprising:
前記Δtを変化させた時のYをプロットし、定数YsatとY=Ysat[1-{1-exp(-αΔt)}/αΔt]により、フィッティングによって前記即発中性子減衰定数αを算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の中性子モニタ装置。 In the time series data, from imax pieces of data of neutron count M(i) in the time interval ti to ti+Δt,
The neutron monitor device according to claim 1, characterized in that Y is plotted when Δt is changed, and the prompt neutron decay constant α is calculated by fitting using a constant Ysat and Y=Ysat[1-{1-exp(-αΔt)}/αΔt].
前記中性子計数率からプルトニウム濃度を算出し、当該プルトニウム濃度が設定値を超えた場合に警報を発生するプルトニウム濃度監視ステップと、
このプルトニウム濃度監視ステップにおいて発生した前記警報の発生後、前記中性子計数率の時系列データからペリオドを算出し、当該ペリオドが設定値を超えた場合に異常ありと判断して工程を停止するペリオド監視ステップと、
前記ペリオド監視ステップにおいて前記ペリオドが設定値以下の場合において、前記中性子計数率の時系列データからある測定時間幅に対する複数の前記中性子計数率のデータから分散と平均の比である分散対平均比を算出し、当該分散対平均比が設定値を超えた場合に異常ありと判断して工程を停止する分散対平均比監視ステップと、
前記分散対平均比監視ステップによって算出された前記分散対平均比が設定値以下の場合は、原子炉雑音法に基づき、即発中性子減衰定数αを算出し、当該即発中性子減衰定数αと、予め解析で求めておいた遅発中性子割合βと、即発中性子寿命Lとを用いて中性子増倍率を算出して未臨界度を求め、異常を検知するステップと、
を具備することを特徴とする使用済み核燃料の臨界管理方法。 a neutron count rate measuring step for measuring a neutron count rate from plutonium in a reprocessing process at a reprocessing facility ;
a plutonium concentration monitoring step of calculating a plutonium concentration from the neutron count rate and generating an alarm when the plutonium concentration exceeds a set value;
a period monitoring step of calculating a period from the time series data of the neutron count rate after the alarm is generated in the plutonium concentration monitoring step , and determining that an abnormality has occurred and stopping the process when the period exceeds a set value;
a variance-to-mean ratio monitoring step of calculating a variance- to-mean ratio, which is a ratio of a variance to a mean, from a plurality of neutron count rate data for a certain measurement time width from the time-series data of the neutron count rate when the period is equal to or less than a set value in the period monitoring step, and determining that an abnormality has occurred and stopping the process when the variance-to-mean ratio exceeds a set value;
a step of calculating a prompt neutron attenuation constant α based on a reactor noise method when the variance-to-mean ratio calculated by the variance-to-mean ratio monitoring step is equal to or less than a set value , calculating a neutron multiplication factor using the prompt neutron attenuation constant α, a delayed neutron fraction β previously obtained by analysis, and a prompt neutron lifetime L to determine a degree of subcriticality and detect an abnormality ;
1. A method for managing criticality of spent nuclear fuel, comprising:
前記Δtを変化させた時のYをプロットし、定数YsatとY=Ysat[1-{1-exp(-αΔt)}/αΔt]により、フィッティングによって前記即発中性子減衰定数αを算出する
ことを特徴とする請求項7に記載の使用済み核燃料の臨界管理方法。 In the time series data, from imax pieces of data of neutron count M(i) in the time interval ti to ti+Δt,
The method for managing criticality of spent nuclear fuel according to claim 7, characterized in that Y is plotted when Δt is changed, and the prompt neutron decay constant α is calculated by fitting using a constant Ysat and Y=Ysat[1-{1-exp(-αΔt)}/αΔt].
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