JPH04184197A - 未臨界監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ウラニウム、プルトニウム等の核燃料物質を
取扱う施設において、核燃料物質の臨界安全管理に供す
る未臨界監視装置に関するものである。

［従来の技術］ ウラニウム、プルトニウム等の核燃料物質は、単体ある
いは他の物質と共存する状態で、多量に集合すると中性
子によって核分裂の連鎖反応を引き起こすことから、こ
れらの施設では臨界安全管理が重要な課題である。

本発明は、核燃料物質を取扱う施設において、臨界状態
への移行を未然に検知する装置に関するものである。

核燃料物質を多量に取扱う、例えば原子炉の燃料工場あ
るいは使用済核燃料の再処理工場等では、従来より臨界
状態を監視する装置が設置されている（以下従来から使
用されている監視装置を「臨界モニタ」という）。臨界
モニタは、核燃料物質が存在する室内に放射線検出器を
設置し、その計測信号を連続的に監視して、臨界状態に
なったときには、検出器に入射する放射線の数が急激に
増加する現象を捕らえて、警報を発する。したがって、
警報は既に臨界状態になってしまったことを示す。

臨界モニタの例を、第４図に示す。

第４図において、１は中性子検出器、２は中性子検出器
用の高圧電源、３は前置増幅器、４４は信号パルスの計
数率計、４５はリレー回路、６は警報装置を示す。臨界
を監視する施設に設置した中性子検出器１では、監視対
象の核燃料物質から放出される中性子の入射によって信
号パルスを発生する。この信号パルスは前置増幅器３に
よってパルス電圧が増幅され、計数率計４４に入力され
る。計数率計４４は、信号パルスの入力頻度（計数率）
に応じた直流電圧に変換を行い、リレー回路４５に出力
する。リレー回路４５は、同一の監視対象の周辺に設置
された３系統の出力を受けて、そのうちの２系統の信号
電圧が所定の「臨界Ｊと判断すべき電圧に達したときに
は、警報装置を作動させる出力をし、臨界警報が発せら
れる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来使用されている臨界モニタは、臨界状態になった後
に警報を発するのであるため、その警報に基づいて取れ
る措置は、人員の退避、臨界状態の拡大防止等の異常状
態発生後の処理の範囲を超えず、臨界を未然に防ぐ余地
はほとんどない。

臨界を未然に防止するために、通常の臨界未満の状態か
ら臨界状態へ接近しつつあるといる情報が得られれば、
必要な予防措置を取ることが可能となり、非常に効果的
である。

そこで本発明は、通常の臨界未満の状態から臨界状態へ
接近しつつあることを検知する新たな手段（未臨界監視
装置）を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明では、核燃料物質の核分裂は発生しているが連鎖
反応に至る前の状態（以下「未臨界」という）において
、核分裂により発生する中性子に看目し、その増減を他
の中性子（核燃料物質の放出するアルファ線と軽元素と
の核反応（「（α。

ｎ）反応」という）によって発生する中性子等）との性
質の差から検知して、未臨界の程度を把握する。

核分裂中性子の特徴の１は、核分裂に際して複数個の中
性子がほぼ同時に発生することであり、しかも、核分裂
が複数回連鎖して起こる状態では、相当数の中性子が短
時間に発生することとなる。したがって、観測時間を適
切に区切って中性子を観測した場合には、核分裂が起き
なかった観測時間帯に比べて、核分裂の起きた時間帯の
中性子の数は相当多くなり、間欠的に中性子数が増加す
る現象から核分裂が起きていることを知ることができる
。このような核分裂による中性子を、定量的に評価する
方法として、原子炉物理の分野では、中性子雑音法が従
来より使用されてきている。中性子雑音法はさらにいく
つかの方法に分けられるが、本発明はそのうちのファイ
ンマンα原理を応用し、臨界安全の監視装置とするもの
である。

ファインマンα原理は、古（から原子炉の中性子の増倍
率の測定に用いられてきた方法の一つで、炉内の中性子
計数値の分散と平均の比を、次式によって中性子の実効
増倍率と関係づける。

■　　　　（ν（シー１）） 一＝　１＋ε□ Ｍ　　　　α。′・ｆ２　・ｋ １−ｅｘｐ　（−α。・ｔ） ・　（１−） α。　・　ｔ ＝１−＋Ｙ　　　　　　　・・・・・・・　（１）ただ
し、■＝計数値の分散 ■＝□・Σ（ｃｉ−Ｍ）” ｎ−ま ただし、ｎは測定回数、ｃｉは各計数値Ｍ：計数値の平
均 ε：検出器効率 シ：１回の核分裂によって放出される 中性子の数 ａｏ　：即発中性子減衰係数 ｆ：中性子生成時間 に：実効増倍率 ｔ：測定時間 Ｙ：中性子実効増倍率によって数値が 変化する因子 中性子の生成がランダムで相関が ない（実効増倍率がＯ）ときには Ｙ＝Ｏとなる なおここで、中性子の「実効増倍率」とは、ある体系の
中で中性子が核分裂を引き起こして数を増やし、あるい
は体系内の物質に吸収されたり体系外へ漏出することに
より消滅して数が減少する変化を表す用語で、実効増倍
率が１のときが臨界、１未満では未臨界、１を越えると
臨界超過と定義される。また、本発明の未臨界度の尺度
も、この実効増倍率を指標とする。

以上によって、中性子数の計測を行えば未臨界度の指標
が基本的には得られることとなるが、これは未臨界度等
の条件が一定で変化しない対象に限定され、しかも所定
時間計測後に結果が得られる。一方、本発明が目的とす
る核燃料物質の取扱い施設では、核燃料物質の移動によ
って、実効増倍率を含めた体系の中性子線源強度の条件
が随時に変化することを想定する必要があり、従来のフ
ァインマンα原理そのままでは実用に適さない。またさ
らに、未臨界度の変化を時間遅れなく得る必要があり、
この面からの工夫も必要である。

本発明の監視装置は、中性子検出器、検出器信号増幅器
、計数装置、計数データ記録装置等のファインマンα原
理適用のための従来の計測装置に加えて、下記の機能を
持ったデータを解析する装置を設け、計測と同時に未臨
界度の情報を出力すると共に、測定対象の特徴に対応で
きる機能を得ている。

■　ファインマンα原理では、一定時間あたりの中性子
計数を繰り返して測定し、計数値の平均と分散の比（（
１）式における（Ｖ／Ｍ）値）を求める。従来、ファイ
ンマンα原理の解析は、平均と分散を求めるデータの母
集団を得た後に行われる。一方、本発明の目的は、測定
対象の未臨界度を監視することであるため、計測との同
時性が必要である。

この矛盾する要求を満足させるため、データ解析装置で
は、得られた中性子計数値を計測した順に解析に必要な
データ数だけ整理・保管し、平均と分散を求める。さら
に、新しい計数データが１個得られると保管データに加
え、最も古いデータを１個捨てて、新しい時刻の平均と
分散を求める。これにより常に最新の結果が、計測とほ
ぼ同時に得られる。

また、本発明を使用する測定対象では、施設の操業によ
って体系が保有する核燃料物質の量が変化することが前
提となるが、これにより本発明の観測目的である中性子
の実効増倍率の外に、核分裂と無関係なパックグランド
中性子、中性子検出効率等が変化し、（Ｖ／Ｍ）値に外
乱因子となる。この外乱を軽減するため、本発明では複
数のデータ群に対して（Ｖ／Ｍ）値を得る機能を設けて
、誤警報を防止する。これは、一般に使用されている放
射線モニタにおける計数率表示の時定数に相当する機能
で、データ解析装置が選択したデータ群の大きさによっ
て決定される。

■　（Ｖ／Ｍ）値は、（１）式の最後の項に計測時間（
１）がパラメータとなっていることによって、計測時間
の選択により、同一体系の計測であっても、その値が変
化する。最適な未臨界度の監視を行うためには、（Ｖ／
Ｍ）値が増加し飽和するようなある程度長い計測時間を
設定しなければならない。

また、より臨界に近い条件下では、上記の（Ｖ／Ｍ）値
が飽和する計測時間からさらに長くすると、−旦飽和し
た（Ｖ／Ｍ）値が再び増加することが観測できる。これ
は、臨界に近い状態であるために１個の中性子によって
引き起こされる核分裂反応の連鎖が長く続くようになり
、体系内の中性子密度がより長い時間周期で増減するよ
うになるためである。

このように、計測時間の設定は未臨界度を観測する上で
重要であるため、本発明のデータ解析装置では、比較的
短い計測時間の計数値を繰り返し得て、その計数値を発
生順に加算することで、各種の計測時間に対する計数値
を合成し、（Ｖ／Ｍ）値を同時に得る機能を設けている
。

［作用］ 本特許による臨界監視は、被監視体系が臨界未満の状態
のときに有効である。核分裂反応の中性子が検出されな
い状態では、指示（Ｖ／Ｍ）値は１となる。全体計数に
占める核分裂反応の中性子の割合が増加するに従って、
平均計数および指示（Ｖ／Ｍ）値が増加する。臨界にあ
まり近い状態では計数頻度が速くなりすぎて、中性子検
出器および計数回路が計数不可能になることもあって、
実際には実効増倍率が０．９程度に対応する指示（Ｖ／
Ｍ）値を警報設定点とする。この時の指示（Ｖ／Ｍ）値
は、検出器の検出効率によって異なるが、適切な感度と
することにより指示値を数ＩＯとすることが可能である
。

［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例を示す未臨界監視装置の主
要部の概略構成を示すブロック図である。

第１図において、１は例えばＢＦ３型の中性子検出器、
２は中性子検出器用の高圧電源、３は前置増幅器、４は
データ解析装置、５はＣＲＴ表示装置、６は警報装置を
示す。

未臨界度を監視する施設に設置した中性子検出器では、
監視対象の核燃料物質から放出される中性子の入射によ
って信号パルスを発生する。この信号パルスは前置増幅
器によってパルス電圧が増幅され、データ解析装置に入
力される。データ解析装置は、前記動作原理によって入
力パルス数を計数し、さらにパルス数データを解析して
、３種類の解析結果をＣＲＴ表示装置に出力する。

（ａ）大きいデータ群（時定数の長い）の（Ｖ／Ｍ）値 （ｂ）小さいデータ群（時定数の短い）の（Ｖ／Ｍ）値 （Ｃ）小さいデータ群で、長い計数時間の（Ｖ／Ｍ）値 ここで、「大きいデータ群の値」とは、例えば１回の計
数時間を１／１００秒とし１０，０００回のデータを集
めて（計測する総時間は１００秒）分散と平均を求める
ことをいう。［小さいデータ群の値」とは、例えば１回
の計数時間を１／１００秒とし１００回のデータから分
散と平均を求めることを言う。「小さいデータ群で長い
計数時間の値」とは　例えば１回の計数時間を１秒とし
１００回のデータから分散と平均を求めることを言う。

施設の操作員は、ＣＲＴの表示装置に示されたこの３種
類の情報の経時変化から、施設内の臨界に対する余裕が
どのように変化しているかを、現在性われている核燃料
物質の取扱い内容と照合しながら知ることができる。も
し、前言己（ａ）。

（ｂ）が両方とも上昇しているとすれば核分裂反応が有
意に増加しており、臨界までの余裕が減少している状況
であり、さらに（Ｃ）の指示が（ａ）、（ｂ）の増加を
上回る傾向にあれば、−層臨界に接近しつつある状況で
あることを知ることができ、その程度によって核燃料物
質の取扱い内容の再確認等必要な措置を取ることができ
る。

また、このような監視を補助する機能として、前記（ａ
）、（ｂ）、（ｃ）の値が一定値を越えた場合に、操作
員の注意をＣＲＴ表示装置５に向けるため、警報装置６
が設けられており、重要度に応じた警報が得られる。

なお、本監視装置の指示を設置場所ごとの中性子実効増
倍率で較正しておくことが必要となるが、計算値あるい
は特に枢要な施設に設置する場合には、パルス中性子法
などの従来から原子炉物理に採用されている試験法によ
って、較正することができる。

第２図は、本発明に用いるデータ解析装置の具体的構成
を示したブロック図である。

第２図において、１１は中性子計測パルス信号の入力端
子、１２はタイマ回路が組み込まれた計数回路、１３は
演算回路、１４は記憶回路、５はＣＲＴ表示装置、６は
警報装置を示す。

以下に、各構成要素の詳細な機能について説明する。

１１：中性子計測パルス信号の入力端子未臨界度の歓測
する対象設備の周辺に設置した中性子検出器から得られ
る信号パルスを前置増幅器を介して増幅し、また必要に
応じて雑音信号を除去した信号パルスがこの入力端子に
人力される。

１２：計数回路 計数回路１２ではタイマ回路の制御のもとに設定された
計測時間における人カバルス数を計数し、測定終了とと
もに計数値データを、演算回路１３に出力する。その後
、計数回路１２及びタイマ回路のデータを初期化して、
次の周期の計数を行う。

計数時間は外部からの設定により、固定値とする。

１３：演算回路 演算回路１３では、計数回路１２の出力データを受けて
、まずその数値を検査し異常に少ない場合には、中性子
検出回路の異常として、異常信号をＣＲ７表示回路５に
出力する。正常な出力データである場合は、演算回路に
設定された任意の計測時間に対する計数値を生成すると
ともに、設定されたデータ群の平均値、分散及び（Ｖ／
Ｍ）値を計算し、（Ｖ／Ｍ）値データをＣＲ７表示回路
５に出力する。また、この段階で（Ｖ／Ｍ）値が予め設
定された値を越えた場合には、異常信号をＣＲ７表示回
路５及び警報装置６に出力する。この演算処理の詳細を
第３図に示す。なお、この演算回路１３は、前項「問題
点を解決するための手段」に述べた計測時間、解析する
データ群の大きさの組合せに応じて、複数を設ける。

１４：記憶回路 記憶回路１４では、演算回路１３の演算に必要な数値デ
ータを保存し、演算回路１３の制御のもとに数値データ
を入出力する。

５　：　ＣＲＴ表示装置 ＣＲＴ表示装置５は、演算回路１３からの出力データを
受けて、ＣＲＴ上に（Ｖ／Ｍ）値の経時変化を数値及び
グラフで表示する。

また、異常状態の出力データを受けた場合には、異常の
種類を表示し、関係者に異常を知らせる。

６：警報装置 警報装置６では、演算回路１３からの異常状態の出力デ
ータを受けて、ブザー等の音響信号及び赤色灯の点滅等
による可視信号により、異常状態の発生を表示し、関係
者に異常を知らせる。

また、第３図に示したデータの演算処理例の説明は、以
下のとおりである。

（１）データ記・は回路には、下記の測定に関する各デ
〜りに対応した領域を持つ。

■「設定データ数」には、（Ｖ／Ｍ）値を求めるデータ
母集団の数 ■「設定最小計数値」には、計数値が少ないときに異常
と判断する基準の値 ■「設定加算回数」には、計数値を複数回加算して所定
の計数時間に対する計数値を得るための加算回数 ■「設定（Ｖ／Ｍ）値」には、計測の結果得られる（Ｖ
／Ｍ）値から臨界近接の異常を判断する基準の値 ■「生成データ数」には、「設定データ数」に対応する
計測開始後の生成データ数、初期値は０ ■「平均値」には、最新の周期で得られた計数値の平均
値、初期値はＯ ■「分散」には、最新の周期で得られた計数値の分散の
値、初期値はＯ ■「加算データ位置」には、「計数データ（１）」から
「計数データ（ｎ）」までのいずれかのデータが記憶さ
れる回路上の位置に関する値、初期値は「計数データ（
１）」の位置 ■「加算回数」には、「設定加算回数」に対応する実際
の加算回数、初期値は０ ［相］「計数データ（ｎ）」には、個々の加算後の計数
値、初期値はＯ なお、「計数データ（ｎ）」は「設定データ数」＋１以
上の領域が準備されている （２）通常、演算回路は、第３図に示した処理フローの
最上段の「待機」の状態にあり、計数回路が１回の計数
終了時に出力するトリガ信号を受けて以下の演算を行い
、再び待機状態に戻る。

（３）演算回路は、計数回路の計数終了トリガ信号を受
けると、以下の処理を行う。

■計数回路に計数値の出力を促し、計数値を受は取る。

■受けた計数値と、データ記憶回路の設定最小計数値を
比較し、計数値が小さい場合にはＣＲＴ表示装置に異常
時の信号を出力する。

■データ記憶回路の加算データ位置を参照して記憶回路
の計数データを読み出し、上記■の計数値を加算して、
合計値を記憶回路の計数データに上書きする。

■データ記憶回路の加算回数の値を１回分増加する。

■上記■の加算回数とデータ記憶回路の設定加算回数を
比較して、等しい場合には次項■以下の演算に移行する
。また、等しくない（設定加算回数が大きい）ときには
、待機の状態に戻る。

■データ記憶回路の生成データ数を１回分増加する。さ
らに記憶回路の設定データ数と照合し、生成データ数が
少ないときには、待機の状態に戻る。生成データ数が設
定データ数に等しいか多いときには、次項■以下の演算
に移行する。

■データ記憶回路の計数データ群から、新しい順に設定
データ数の数だけデータを読み出して、平均値、分散を
計算する。

■平均値と分散をデータ記憶回路に記録する。

■分散を平均値で除して比を求め、その値をＣＲＴ表示
装置に出力する。

［相］分散と平均値の比を、データ記憶回路の「設定（
Ｖ／Ｍ）値」と比較して、多いときにはＣＲＴ表示装置
に異常信号を出力する。

■データ記憶回路の「加算データ位置」のデータを１デ
一タ分だけ増加させる。

■データ記憶回路の「加算回数」のデータを初期化（Ｏ
に）する。

■待機の状態に戻る。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明は、核燃料物質の取扱い施
設において従来から使用されてきた臨界モニタとは機能
の異なる臨界安全の監視装置を提供するものであり、そ
の特徴は、臨界状態に達する以前の時点において、臨界
状態までの余裕を量的に表示する機能を持ち、関係者が
危険を未然に回避することを可能にしている。したがっ
て、本発明を利用することによって、確実な臨界安全の
確保が可能となるのは明白である。

一方、技術面では、原子炉物理の分野で古（から用いら
れてきた原理を、異なる対象に適用するため、専用の機
能を有する計測データの解析装置を設けることにより問
題点を解決し、目標とする性能を得ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す未臨界監視装置の主要
部の概略構成を示すブロック図、第２図は本発明に用い
るデータ解析装置の具体的構成を示したブロック図、第
３図は本発明の実施例におけるデータの演算処理例を示
した図、第４図は従来の臨界モニタの構成例を示したブ
ロック図である。 図中、 １：中性子検出器、 ２：高圧電源、 ３：前置増幅器、 ４：データ解析装置、 ５　：　ＣＲＴ表示装置、 ６：警報装置。 代理人　弁理士　１）北　嵩　晴 第１図　本発明の実施例

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）核燃料物質を取扱う施設における未臨界監視装置
   において、中性子の入射によってパルス信号を発生する
   中性子検出器と、この中性子検出用の高圧電源と、前記
   中性子検出器から出力されるパルス信号を増幅する前置
   増幅器と、増幅されたパルス信号を計数するデータ解析
   装置と、このデータ解析装置から得られた複数種類の出
   力をそれぞれ表示し、警報する表示装置及び警報装置と
   を具備したことを特徴とする未臨界監視装置。
2. （２）請求項（１）において、解析装置は、タイマ回路
   を有する計数回路と、演算回路と、記憶回路とを具備し
   たことを特徴とする未臨界監視装置。
3. （３）請求項（１）または（２）において、データ解析
   装置から得られた複数種類の出力は３種類の出力である
   ことを特徴とする未臨界監視装置。