JPH05297184A

JPH05297184A - ミキサセトラと、その中性子増倍率測定方法および中性子検出装置の校正方法

Info

Publication number: JPH05297184A
Application number: JP9939592A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ueda; 精植田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1993-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】中性子増倍効果の影響を低減して中性子検出器
の検出効率を評価する。また、キャンペーン中に中性子
増倍率を測定し、かつ校正できる。【構成】長方形の箱形容器１の下面に板状中性子減速材
６を配置し、容器１の底面から距離を隔てた前記中性子
減速材の内部に中性子検出器16を配置する。また、容器
１の底面の外側（下側）でかつ中性子検出器16と容器１
の底面との距離が最小となる一定の範囲を除く部位に中
性子吸収材６を板状に配置する。中性子減速材６の内部
または容器１と反対側（下側）の中性子減速材６の外側
で容器１の底面までの最短距離の位置を中心とした一定
の範囲に中性子吸収材12が配置された位置に中性子源を
挿抜自在に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は使用済核燃料を再処理す
る際に用いられるミキサセトラと、ミキサセトラの中性
子増倍率測定方法および中性子検出装置の校正方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から使用されている使用済核燃料を
再処理するためのミキサセトラの概念を図12を用いて説
明する。図12（Ａ）は図12（Ｂ）のＡ−Ａ矢視方向から
見た立面図であり、図12（Ｂ）は図12（Ａ）および図12
（Ｃ）のＢ−Ｂ矢視方向から見た平面図、図12（Ｃ）は
図12（Ａ）および（Ｂ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。

【０００３】ミキサセトラは図12（Ｃ）で示したように
長方箱形容器１内に区画壁２を設けて、この区画壁２内
に攪拌羽根３を回転軸４を介して設け、長方箱形容器１
の底板５の下方に中性子減速材６を設け、この中性子減
速材６内に中性子検出器案内管７を挿入したものからな
っている。なお、図12（Ａ）の破線で示すように底板５
の下面近傍には板状の中性子吸収材12が設けられてい
る。ただし、底板５と中性子検出器案内管７との最短距
離付近で、かつ底板５の下面には直接中性子吸収材12は
配置されていない。

【０００４】個々のミキサセトラは図12（Ａ）および
（Ｂ）に示すごとく多段に連結され、多段溶媒抽出装置
として使用されている。同図（Ｂ）においてＭがミキサ
部、Ｓがセトラ部である。図12（Ｃ）では左側がミキサ
部Ｍ、右側がセトラ部Ｓであり、左側のミキサ部Ｍで水
相８と油相９が混合されて、例えば核燃料成分はほぼ一
様に混合される。

【０００５】ミキサ部Ｍへ入ってくる水相８または油相
９のいずれか一方の液体には核燃料が含まれている。ミ
キサ部Ｍへ入ってくる液体のうち、水相８に核燃料が含
まれており、セトラ部Ｓにおいて油相９へ核燃料を移行
させる工程は抽出工程と呼ばれ、ミキサ部Ｍへ入ってく
る液体のうち、油相９に核燃料が含まれており、セトラ
部Ｓにおいて水相８へ核燃料を移行させる工程は逆抽出
工程と呼ばれている。

【０００６】ミキサ部Ｍからセトラ部Ｓへ排出された混
合相10は図12（Ｃ）の右方向へ静かに流れる際に比重差
により混合相10は殆どなくなり、所定の液面11を保ちな
がら油相９と水相８に分相される。各相８，９の間には
液体の界面が生じ、正常運転時はほぼ所定の位置に止ま
っているが、何らかの異常が生じると界面は何方かに偏
ったり変動することも考えられる。

【０００７】抽出工程では核燃料成分は主として上側の
油相９と混合相10にあり、逆抽出工程では水相８と混合
相10に含まれている核燃料成分、特に管理の必要なプル
トニウムは中性子を放出する。その中性子を図12（Ａ）
および（Ｃ）に示したように長方箱形容器１の下側に設
けられた減速材６の中性子検出器案内管７内に挿入する
図示しない中性子検出器で計測し、核燃料液体の流れ状
態を監視するようになっている。この中性子検出器案内
管７は通常１段当たり１個設けられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、核燃料から
の中性子放出率は核燃料濃度のみでなく組成比によって
変化し、また中性子検出器の計数率はこれらに加えて核
燃料液体の高さ方向位置によって変化するとともに、核
燃料濃度がある程度高い場合には誘発核分裂に伴う中性
子も計測することになる。したがって、ミキサセトラの
底板下方に配置された中性子検出器で液体中の核燃料の
濃度、未臨界性および液体の流れの状態を正しく監視す
ることは極めて困難となる課題がある。

【０００９】中性子検出器はプルトニウムが放出する中
性子を計測するため、中性子の計数率を計測モニタする
ことによって液体中の核燃料の濃度、流れの挙動、臨界
安全性に係る未臨界度等を評価すべく開発が進められよ
うとしている。

【００１０】このようにミキサセトラに設置される中性
子検出器には重要な機能の達成が期待されるが、現在ま
でのところこれらの技術は未開発状態にある。

【００１１】このような課題を解決するための第一歩と
して、中性子検出器が正しく動作していることを確認す
るとともにその検出効率を決定しなければならない。こ
れらは、中性子検出器が使用される位置において、ミキ
サセトラ、中性子吸収材、中性子減速材等との幾何学的
相互関係が与えられた条件において行うことが最も信頼
度が高い。

【００１２】このような背景から、容器内に核燃料液体
が存在しない場合のみでなく、存在する場合でも上述の
作業ができることが好ましい。

【００１３】中性子検出器が所定の使用位置に配置され
ており、容器内に核燃料液体が存在する場合に上述の作
業を行う場合には、核燃料液体部で中性子増倍が生じる
ために中性子検出器は増倍効果の影響を受けることにな
る。ミキサセトラの中性子検出装置に期待される前述の
機能のうち、中性子増倍率に係る臨界安全性の確保は最
重要課題である。

【００１４】ミキサセトラの中性子検出装置に期待され
る前述の機能を達成するためには、中性子検出器が正し
く配置され、正しく動作し、しかもその中性子検出器の
中性子計数率と核燃料液体内のプルトニウム濃度との対
応が正しく対応づけされること、すなわち中性子検出装
置の校正ができていることが不可欠である。

【００１５】本発明はこのような背景のもとになされた
ものであり、その目的とするところは、中性子検出器が
所定の使用位置に配置されており、容器内に核燃料液体
が存在して中性子増倍効果が無視できない場合でも、中
性子源を配置して中性子増倍効果の影響を低減して中性
子検出器の動作確認のみでなく検出効率を評価できるミ
キサセトラを提供することにある。

【００１６】また、本発明はキャンペーン中に中性子増
倍率を測定することができるミキサセトラおよびその中
性子増倍率測定方法を提供することにある。

【００１７】さらに、本発明は核燃料を実際に処理する
キャンペーンに先立ち中性子源を用いた中性子検出装置
の各種機能および校正試験を行うことが可能であり、キ
ャンペーン中でも校正試験を中性子計数率を必要以上に
高めないで行えるようなミキサセトラおよびミキサセト
ラ中性子検出装置の校正方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は長方箱形容
器内に油相および水相を混合するミキサ部と、このミキ
サ部で混合された油相および水相を分離させるセトラ部
とを備えかつ前記容器内に核燃料液体を流して液々抽出
を行うミキサセトラにおいて、前記容器の下面側に板状
中性子減速材を配置し、前記容器の底面から一定の距離
を隔てた前記減速材の内部に中性子検出器を配置し、前
記容器の底面の外側（下側）で中性子検出器と前記容器
底面との距離が最小となる一定の範囲を除く部位に中性
子吸収材を板状に配置するとともに、前記中性子減速材
の内部または前記容器と反対側（下側）の前記中性子減
速材の外側で前記容器底面までの最短距離の位置を中心
とした前記中性子吸収材が配置された位置に中性子源を
挿抜自在に配置したことを特徴とする。

【００１９】第２の発明は長方箱形容器内に油相および
水相を混合するミキサ部と、このミキサ部で混合された
油相および水相を分離させるセトラ部とを備えかつ前記
容器内に核燃料液体を流して液々抽出を行うミキサセト
ラにおいて、前記容器の下面側に中性子減速材を配置
し、前記中性子減速材内で前記容器の長手方向に中性子
検出器を挿抜自在に中性子検出器案内管を配置するとと
もに、前記容器の上面で前記中性子検出器案内管の上部
の一部に中性子反射体を配置したことを特徴とする。

【００２０】第３の発明は長方箱形容器内に油相および
水相を混合するミキサ部と、このミキサ部で混合された
油相および水相を分離させるセトラ部とを備えかつ前記
容器内に核燃料液体を流して液々抽出を行うミキサセト
ラにおいて、前記容器の下面側に中性子減速材を配置
し、前記中性子減速材内に中性子検出器を配置するとと
もに、挿抜自在に中性子源案内管を前記容器の上面また
は前記中性子減速材内に配置し、かつ挿抜自在に校正用
中性子源を案内する校正用中性子源案内管を前記減速材
内で前記中性子検出器の近傍に配置したことを特徴とす
る。

【００２１】第４の発明は請求項２記載のミキサセトラ
において、前記容器の上面に中性子反射体を配置した位
置の下側およびその位置の近傍で前記中性子反射体を配
置していない位置の下側の前記中性子検出器案内管内で
中性子計数率を測定してその比率を求め、この比率を理
論計算等で求めたパラメータを介して反射体を配置した
位置またはその近傍の中性子増倍率を求めることを特徴
とする。

【００２２】第５の発明は請求項３記載のミキサセトラ
において、核燃料を処理するキャンペーンに先立ち中性
子源を中性子源案内管内を移動させて中性子検出器の感
度および動作特性を測定し、キャンペーン中は中性子吸
収材もしくは中性子源を含む中性子吸収材の少くともい
ずれか一方を中性子検出器近傍に設けた前記中性子源案
内管内を移動させて中性子検出器の動作状態を監視する
ことを特徴とする。

【００２３】

【作用】第１の発明によれば、中性子源案内管は対称軸
上で中性子減速材内に奥行方向に中性子検出器案内管と
平行に配置されている。図示しない中性子源は中性子源
案内管内を挿抜することができ、検出器校正の場合を除
き、通常はミキサセトラ部から引抜かれている。

【００２４】中性子源案内管と容器の底板との間には底
板の下面に中性子吸収材が配置されているため、中性子
源から放出された中性子が減速され、熱中性子化したも
のは容器内へ殆ど流入しなくなる。

【００２５】その結果、中性子源に基づき容器内で増倍
される中性子の数は大幅に低減するため、容器内から放
出される該増倍中性子の中性子検出器への流れ込みは中
性子吸収材が存在しない場合に比べて大幅に減少する。
すなわち、容器内に核燃料が存在する場合でも増倍効果
に殆ど関係なく中性子検出器の校正を行うことができ
る。

【００２６】第２の発明によれば、ミキサセトラを構成
する一方の容器の下側に短尺の中性子検出器を配置し、
対向する他方の容器の上側に局所的に中性子反射体を配
置したミキサセトラが得られる。

【００２７】第３の発明によれば、容器の下側に配置し
た中性子減速材内に中性子検出器案内管を配置し、それ
に隣接して中性子源案内管を配置し、かつ校正用中性子
源案内管を配置したミキサセトラが得られる。

【００２８】第４の発明によれば、短尺中性子検出器を
容器の長手方向に移動しながら核燃料から放出された中
性子を測定することにより、外部から中性子源を人為的
に導入することなしに中性子実効増倍率を求めることが
でき、臨界安全性を確保することができる。

【００２９】第５の発明によれば、中性子検出器案内管
内をキャンペーンに先立ち、校正用中性子源を挿抜させ
て中性子検出器の動作試験や校正試験を行い、キャンペ
ーン中は、必要以上に中性子計数率の上昇を生じさせな
いように、中性子吸収材あるいは弱い中性子源を装着し
た中性子吸収材を挿抜させて中性子検出器が正常に動作
していることを確認することができる。

【００３０】特に、キャンペーン中に中性子計数率の上
昇を抑制するようにしたので、計数率異常上昇に伴なう
アラームやスクラム信号の発生がなく、このためミキサ
セトラの稼働率を低下させないで中性子検出器を常時監
視することができる。

【００３１】

【実施例】図１から図４を参照しながら第１の発明に係
る第１から第４の実施例を説明する。なお、各図とも
（Ａ）は図12に対応するミキサセトラ１段の幅方向縦断
面図であり、各図（Ｂ）のＡ−Ａ矢視方向縦断面図であ
る。各図（Ｂ）は図12（Ｃ）に対応するミキサセトラ１
段の長手方向縦断面図であり、各図（Ａ）のＢ−Ｂ矢視
方向を切断した縦断面図である。図中の符号は図12と同
一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略
する。

【００３２】図１は第１の実施例であり、比較的大型の
ミキサセトラである。１段の容器幅（図１（Ａ）の左右
方向）が大略30cmより大きいと幅方向端部の中性子情報
は殆ど得られなくなる。そこで本実施例では２本の中性
子検出器案内管７，７を30〜50cm程度の間隔で奥行方向
に対称軸14に対して対称で平行に配置している。なお、
ミキサセトラの寸法は後述する。中性子検出器としては
セトラ部Ｓの大部分の長さをカバーする長尺物が図示さ
れているが、複数個の中性子検出器を直列に配置するこ
ともできる。

【００３３】ここで一例として、容器１の側部や底板等
の構造材を例えばステンレス鋼板とし、いずれも厚さ５
mmと仮定する。中性子吸収材12は厚さ１mmのカドミウム
（Ｃｄ）金属板とする。また、容器１の厚さ（図の上下
方向）を約15cm、容器１の下側の中性子減速材６の厚さ
を約15cmとし、容器１は幅方向（図の左右方向）60cm、
奥行（図１（Ｂ）の左右方向）の全長を 150cm、セトラ
部Ｓの奥行を 120cmと仮定する。ごくおおまかにいっ
て、このような寸法のミキサセトラは一つの代表的な寸
法と考えてよい。

【００３４】図１（Ａ）において、１段の容器１当たり
の中性子吸収材12は左から12ａ，12ｂ，12ｃがそれぞれ
15cm、中性子吸収材のない部分13ａ，13ｂをそれぞれ
7.5cmと仮定する。容器１の内部にはプルトニウム燃料
を含む核燃料液体が充填されており、一定の中性子実効
増倍率（一般にｋ_effと記されるが本明細書では_effを
除き、簡易にｋで示すことにする）となっているものと
する。

【００３５】核燃料からの自発核分裂と、酸素等とアル
ファ線との（α，ｎ）反応によって放出される自発中性
子放出率をＳ₀とすれば、中性子検出器16の位置におけ
る自発中性子に基く中性子束（または中性子計数率と考
えてもよい）φ₀は、比例係数γを介して式(1) で与え
られる。 φ₀＝γＳ₀／（１−ｋ） …(1)

【００３６】ところで、カリフォルニウム（Ｃｆ）252
のような人工中性子源を外部から外部中性子源として対
称軸14の位置に配置したときの外部中性子源に基づいて
アクティブ中性子束φ_S（中性子源増倍中性子束とも呼
ぶことにする）は定数ａ，ｂを介して、式(2) で与えら
れる。 φ_S＝ａ＋（ｂ／（１−ｋ）） …(2)

【００３７】ａとｂとの関係については、水中に置かれ
た燃料集合体の場合につき、米国原子力学会誌『Nuclea
r Techuology』の1992年１月号において示されている
（Fig.８）。外部中性子源の強度をＳとすれば、定数
ａ，ｂは比例係数α，βを介してａ＝αＳ，ｂ＝βＳと
書いてもよい。

【００３８】本実施例では、容器１に自発中性子を放出
するプルトニウムのような核燃料が存在する場合でも中
性子検出器16の感度（検出効率）の校正を可能とするた
めに、φ_S値がφ₀値に比べ、かなり大となるようにす
る。その一つの方法はＳ≫Ｓ₀とすることであるが、無
分別に中性子源を配置すると中性子検出器16の不感時間
による誤差を生じたり中性子増倍効果の影響を受けるこ
とがある。

【００３９】前記論文Fig.８より、ａ／ｂ比は中性子源
近傍で大きくなることがわかる。このことは中性子増倍
効果の影響をあまり受けないことを意味している。本論
文は水中に燃料集合体を配置した場合について論じてい
るが、本実施例で対象としているミキサセトラ体系でも
中性子の減速・拡散・吸収および増倍特性は主として水
素原子によって支配されているため、中性子の挙動は両
者とも類似している。

【００４０】本発明では図１（Ａ）から明らかなよう
に、中性子源案内管15と容器１の下面との距離が最短距
離となる容器１の下面でその近傍には中性子吸収材12で
あるカドミウム（Ｃｄ）シートが配置されているため、
中性子源案内管15内の図示しない中性子源から放出され
た中性子の大部分のものはＣｄに吸収され、容器１内に
入射しなくなるため、中性子源に基く式(2) で表わされ
る中性子束φ_Sでは、増倍効果はさらに微小なものとな
る。

【００４１】すなわち、図１（Ａ）のように、校正用の
中性子源を、中性子検出器16の比較的近傍で、容器１の
下側の中性子減速材６内もしくは中性子減速材６の下側
に配置し、Ｃｄシートを12ｂのように配置すると、核燃
料による中性子増倍の影響を殆ど受けずに中性子検出器
16の校正を行うことができる。

【００４２】図２は図１の変形例であり、中性子検出器
16がミキサセトラの奥行方向に直列に２本（16ａ，16ｂ
で示す）配置されている点にある。図12（Ｃ）に示すよ
うに、ミキサ部Ｍからセトラ部Ｓへ排出された核燃料液
体はセトラ部Ｓにおいて分相されるが、異常時は各相の
高さが上下方向にずれる可能性がある。

【００４３】図２の実施例のように２本の中性子検出器
16ａ，16ｂを奥行方向に２本配置していると、ミキサ部
Ｍ側と反対側の中性子検出器とで中性子応答特性が相対
的に変化するため、両中性子検出器16ａ，16ｂの中性子
計数率の比から異常情報を得ることができる。

【００４４】図３は第１の発明に係る第２の実施例を示
したものである。核燃料の濃度が高くなるミキサセトラ
では、臨界安全性を確保するため、図１の場合に比べて
大幅に小さくする必要がある。このような場合、図１の
ように幅方向に２本の中性子検出器案内管７を配置する
と、隣接する他段の容器から放出される中性子が中性子
検出器で検出されるようになるため不都合であり、図３
のように幅方向の中央に１本のみ配置することになる。

【００４５】この実施例によれば、中性子源を測定すべ
き段の中央ではなく、他段との境界に配置しており、第
１の実施例と同様な作用効果が得られる。図３では二つ
の段の下側にある２本の中性子検出器案内管７，７内の
中性子検出器を同時に校正できるというメリットがあ
る。

【００４６】なお、本実施例では図２の場合のように２
本の中性子検出器16ａ，16ｂを１本の中性子検出器案内
管７内に直列に配置しており、上記変形例と同様な作用
効果が得られる。

【００４７】図４は第１の発明に係る第３の実施例であ
り、図３の場合と同様に比較的小型のミキサセトラの場
合である。前述の理由から本実施例でも中性子検出器案
内管７ａ，７ｂは図３の場合と同様に容器１の幅方向中
心軸面上に配置され、他段からの不必要な悪影響を避け
ている。

【００４８】中性子源案内管15は中性子検出器案内管７
ａと７ｂとの中間中央軸面上に配置されている。これに
よって隣接する２段の容器の下側に配置された４本の中
性子検出器案内管（７ａ，７ｂ，７ａ，７ｂ）内に収納
された検出器を校正することができる。

【００４９】図４（Ｂ）に示すように、中性子検出器案
内管７ａ内には２本の中性子検出器が直列に配置され、
中性子検出器案内管７ｂ内には長尺の１本の中性子検出
器が配置されている。

【００５０】各中性子検出器の作用効果は前述した各中
性子検出器配置の作用効果を複合的に生じさせることに
なる。中性子検出器案内管７ａ，７ｂはこの例では上下
方向に隣接配置しているが、当然ながら水平方向に配置
することもできる。

【００５１】次に第２および第４の発明に係る実施例を
図５から図８を参照して説明する。図５は第１の実施例
であり、図５（Ａ）は図12（Ａ）に対応するミキサセト
ラ１段の幅方向縦断面図であり、図５（Ｂ）のＡ−Ａ矢
視縦断面図、図５（Ｂ）は図12（Ｃ）に対応するミキサ
セトラ１段の長手方向縦断面図であり、図５（Ａ）のＢ
−Ｂ断面図である。

【００５２】長方箱形容器は天井板、区画壁２および底
板５で仕切られた長方形の箱型容器となっており、図12
（Ｃ）で示すように核燃料液体等が流れている。この容
器１の下側は中性子減速材６が配置され、その中を容器
１の長手方向に平行して３本の中性子検出器案内管７
（７ａ，７ｃ，７ｂ）が配置されている。

【００５３】該中性子検出器案内管のうち７ａと７ｂは
通常のプロセスをモニタもにする図示しない中性子検出
器が配置されており、キャンペーン中は一般に移動させ
ないで核燃料液体から漏洩してくる中性子を測定してい
る。

【００５４】プロセスモニタとしての中性子計数率を高
めるために、中性子検出器案内管７ａと７ｂはともに破
線で示す中性子吸収材12ａ，12ｂ，12ｃが容器を最近接
点付近を避けるように配置されている。なお、中性子吸
収材としては通常カドミウムシートが利用されることが
多い。

【００５５】一方、中性子検出器案内管７ｃの中には図
１（Ｂ）で示すように中性子反射体（単に反射体とも呼
ぶことにする）Ｒの容器長手方向の幅より検出範囲の短
い短尺型の中性子検出器がキャンペーン中でも自在に移
動させ、中性子を計測するようになっている。

【００５６】ミキサセトラの中性子増倍率（ｋ）の変化
は異常時でも一般にゆるやかであることが知られている
ため、中性子計測時間は１点当たり数分程度かけても差
支えない。中性子検出器は短尺化して検出効率がある程
度低下しても差支えない。また、容器と中性子検出器案
内管７ｃとの間には中性子吸収材12ｃのシートが配置さ
れていても一般に許容できることが多い。

【００５７】反射体Ｒはセトラ部Ｓのうちミキサ部Ｍに
比較的近い場所に配置されている。反射体の容器長手方
向幅は15〜30cm程度、厚さ（上下方向）は５〜15cm程度
であり、容器幅方向（図５（Ａ）の左右方向）の幅は少
くとも10cm以上、通常15cm以上とされる。容器１段の幅
より広くしても差支えないが、通常は15〜30cm程度とさ
れる。

【００５８】これらの寸法を、15cm×15cm×厚さ５cmよ
り小さくすれば、ポリエチレン等含水素性の反射体とし
ての機能が大幅に低下する。重水や黒鉛のような材料を
更に大きくかつ厚くしないと反射体としての作用が小さ
くなるので、含水素物質の使用が最適である。

【００５９】中性子計測は図６のｉ_l，ｉ，ｉ_r点に対
応したｄ₁，ｄ₂，ｄ₃の点（図５（Ｂ）参照）で測定
され、後述する式(7) から反射体Ｒが存在しない場合の
後述する式(7a)から反射体Ｒが存在する状態でのｄ₂点
上部の中性子実効増倍率（ｋ）が求められる。

【００６０】本実施例のミキサセトラは、核燃料を処理
するミキサ部とセトラ部からなる長方箱形容器を有し、
その容器の下側に中性子減速材を配置し、中性子減速材
内で容器の長手方向に中性子検出器を挿抜移動自在とす
る中性子検出器案内管を配置し、容器の上面で中性子検
出器案内管の上部の一部に水平方向寸法で少くとも15×
15cm、厚さで少くとも５cmの中性子反射体を配置してい
る。

【００６１】中性子検出器は中性子検出器案内管内を自
在に移動し、核燃料、特にプルトニウムが放出する一次
中性子（その強度をＳとする）と、それによって誘発核
分裂を起して放出された二次中性子によって形成された
中性子束（φ）を計測する。

【００６２】得られた計数率はφと比例するので、ここ
では中性子計数率と中性子束を同義語として使用するこ
とにする。中性子増倍率としては実効増倍率ｋ_effを対
象とする。一般のｋ_eff値は臨界に近い原子炉を対象と
して使用されている。

【００６３】炉物理学上の常識としては、中性子増倍体
系を一つのｋ_eff値で表すことになっているが、ミキサ
セトラのように核燃料液体の層が薄く、中性子の漏洩す
る確率が大きく、しかもｋ（ｋ_eff）値が 1.0（臨界）
より大幅に小さい場合には、いわゆる中性子的な結合作
用が近くにしか波及しないため、ｋ値は局所的に変化す
るものとして考えてはじめて物理的な意味を生じるもの
である。

【００６４】このような背景のもとに、中性子束（＝中
性子計数率）φ、中性子源強度Ｓ、実効増倍率ｋとの間
には比例計数αを介して、 φ＝αＳ／（１−ｋ） …(3) なる関係にあることが未臨界中性子増倍体系に対する一
点炉モデルの理論から導かれることはよく知られてい
る。

【００６５】以下、式(3) を出発点として、外部から人
為的に人工中性子源を導入することなく、核燃料自体が
放出する自発中性子を内部中性子源として利用しなが
ら、その強度を知らなくても測定位置またはその近傍の
“局所的”なｋ値を求める方法を簡単な図と式を用いて
説明する。

【００６６】図６はミキサセトラの長手方向の縦断面を
簡略化して示したものである。容器１の上側には局所的
に中性子反射体が配置されている。容器１の下側には中
性子減速材６が配置されており、その中性子減速材６内
に中性子検出器案内管７が配置されている。中性子検出
器16としては一般に反射体の長手方向幅より短いものを
使用する。

【００６７】中性子検出器が反射体の下側に配置されて
いる場合をｉ、反射体の下側から離れた左側および右側
の場合をｉ_l，ｉ_rとすると、式(1) から、ｉ_l，ｉ，
ｉ_r位置ではＳ値は一定であり、式(3a)，(3b)，(3c)と
書ける。“°”マークは反射体がないことを示してい
る。

【００６８】

【数１】

【００６９】ｉ位置で中性子反射体が存在しない場合を
式(3d)で示す。

【数２】

【００７０】反射体の長手方向幅を15〜30cm程度とした
場合には、反射体がないときのφおよびｋのｉ_l点とｉ
_r点の値とは差が小さいため、単純平均でｉ点のφおよ
びｋ値を表わす（近似する）ことができる。すなわち、

【数３】

【００７１】したがって、式(4a)〜(4c)を式(3d)式に代
入して使用することとする。すなわち、

【数４】

【００７２】両式の比をとると次式が得られる。すなわ
ち、

【数５】

【００７３】ここで、は測定量であり、またはｋｉのいずれか一方が求める量である。

【００７４】は、反射体を中性子検出器と反対側（上側）に配置する
ため、 1.0に比較的近い値でありほぼ一定値となる。し
たがって正確に理論計算で求めることができる。式(5)
右辺ではとｋｉの２つの未知数があるため、いずれか一方を消去
することにする。いま仮にを求めることにする。

【００７５】いま、Ｒｉを定義すると、

【数６】

【００７６】この値は中性子のもれない確率の比である
ことが、１点炉モデルの臨界方程式からわかる。反射体
の有り無しで容器内の中性子スペクトルは殆ど変化しな
いため無限増倍率も殆ど変化しない。したがって式(6)
はもれない確率の比となり、理論計算からＲｉ値は核燃
料の組成には殆ど依存せず一定となることがわかってい
る。ただＲｉ値はミキサセトラの位置によっては変化す
る可能性があり、その点を考慮して理論計算によりＲｉ
値が求められる。

【００７７】式(6) を式(5) に代入してについて解くと式(7) で示す公式が得られる。すなわ
ち、

【数７】

【００７８】逆にの代りにｋｉで解いてもよい。すると式(7a)が得られ
る。

【数８】

【００７９】すなわち、式(7) によって、式(7a)によってｋｉ（反射体あり）の場合の“局所的
な”中性子実効増倍率（ｋ）を求めることができる。な
お、式(7a)はミキサセトラが臨界に近づくような場合、
いち早く臨界に近づくため、臨界近傍の警報を発生させ
るのに好都合である。

【００８０】なお、本実施例では反射体Ｒを比較的ミキ
サ部Ｍの近傍に配置したが、これは図５（Ｃ）から理解
できるように流れの上下方向ゆれが生じにくく、精度が
比較的高いことが期待されるためである。しかしながら
反射体Ｒをミキサ部から大きく離れた位置に置いても当
然差支えない。

【００８１】図７は第２の発明における第２の実施例を
示すものであり、図５（Ａ）に対応する幅方向縦断面図
である。図５に示す第１の実施例と異なる点は、このミ
キサセトラは小型であり、ルーチン用のプロセスモニタ
としての中性子検出器案内管７ａが１本だけしか配置さ
れていない点にある。したがって本発明を実施する中性
子検出器案内管７ｃは７ａの下側に配置されており、第
１実施例と同様にして中性子実効増倍率（ｋ）が式(7)
と式(7a)により求められる。

【００８２】図８は第２の発明における第３実施例を示
すものであり、図５（Ａ）に対応する幅方向縦断面図で
ある。図５の場合と同様にこの構成は比較的大型のミキ
サセトラに適用するのに適している。中性子検出器案内
管７ｃの上部に反射体Ｒが配置されており、中性子検出
器案内管７ｂの上方には反射体は配置されていない。

【００８３】中性子検出器案内管７ｂ内に配置される中
性子検出器はルーチン的にプロセスモニタを行うもので
あり、中性子検出器案内管７ｃ内に配置される中性子検
出器は短尺ものとされ、キャンペーン中必要に応じて中
性子検出器案内管７ｃ内を移動させて中性子実効増倍率
（ｋ）が式(7) と式(7a)により求められる。なお、移動
する必要がない期間は所定位置に置いてルーチン的にプ
ロセスモニタとして使用される。図８中、Ｓｎは中性子
源案内管に挿入される中性子源を示している。

【００８４】近年は中性子検出器としてposition-sensi
tive counterが開発されており、電気波形の弁別によ
り、短尺の中性子検出器を直列に配列したときの任意位
置の中性子束を測定することが可能となっており、図８
の中性子検出器案内管７ｃ内に挿入すれば、ルーチン的
なプロセスモニタと本実施例に係る実効増倍率の測定を
同時に行うことができる。

【００８５】また、この図では、中性子検出器の動作特
性や検出感度校正を必要に応じて中性子源（Ｓｎ）を用
いて行うことができるように構成されている。

【００８６】次に図９から図11を参照して第３および第
５の発明に係る実施例について説明する。図９は第１の
実施例であり、図９（Ａ）は図12（Ａ）に対応するミキ
サセトラ１段の幅方向縦断面図であり、図９（Ｂ）のＡ
−Ａ縦断面図、図９（Ｂ）は図12（Ｃ）に対応するミキ
サセトラ１段の長手方向縦断面図であり、図９（Ａ）の
Ｂ−Ｂ縦断面図である。

【００８７】長方箱形容器１は天井板、区画壁（側板）
２および底板５から形成され、ミキサセトラ本体を構成
している。容器１内には図12（Ｃ）で示すように水相８
および油相９が流れている。水相８または水相９のいず
れか一方は核燃料液体である。

【００８８】容器１の下側には中性子減速材６が配置さ
れ、その中性子減速材６内を容器１の長手方向に沿って
２本の中性子検出器案内管７ａ，７ｂと本実施例におけ
る中性子吸収材・中性子源案内管15（以下線源吸収材案
内管という）が平行かつ隣接して配置されている。

【００８９】これらの案内管のうち７ａと７ｂは通常の
プロセスをモニタする図示しない中性子検出器が配置さ
れており、キャンペーン中は一般に移動させないで核燃
料液体から漏洩してくる中性子を計測している。

【００９０】プロセスモニタとしての中性子計数率を高
めるために、各案内管と容器との最近接部近傍には中性
子吸収材12ａ，12ｂが取り除かれており、特に熱中性子
に対して窓を形成している。

【００９１】一方、中性子源案内管15内にはキャンペー
ン中でも中性子吸収材、弱い中性子源を装着した中性子
吸収材、あるいは中性子吸収材を装着した中性子検出器
が自在に挿抜でき、本実施例の目的を達成することがで
きる。中性子吸収材を装着した中性子検出器は本実施例
の目的達成の他、さらに中性子も検出できるため、別の
用途として活用可能となる。

【００９２】上記実施例のミキサセトラには前述したよ
うに核燃料を処理するミキサ部とセトラ部からなる長方
箱形容器と、その下側に中性子減速材を配置し、その内
部に中性子検出器を配置するとともに、中性子源案内管
と中性子検出器の近傍約５cm以内で中性子減速材内に中
性子吸収材案内管が設けられている。したがって、キャ
ンペーンに先立ち中性子源を用いた中性子検出装置の校
正試験を行うことが容易にできる。

【００９３】また、キャンペーン中は弱い中性子源を含
む中性子吸収材を、通常用いられる含水素中性子減速
材、通常ポリエチレンで構成された中性子減速材内で中
性子検出器から熱中性子拡散距離（約 2.5cm）の約２倍
以内の距離で移動することができるので、中性子計数率
がプルトニウムからの中性子を計数している際の計数率
からあまり上昇しない条件で中性子検出装置の校正試験
を行うことができる。

【００９４】もし、中性子計数率が大幅に上昇すると、
ミキサセトラによってはアラームあるいはスクラム信号
が発生してキャンペーンを中断しなければならない場
合、まはそれを避けるためにバイパスキーを特設しなけ
ればならなくなり、操作ミスの原因となることも考えら
れるが、本実施例によれば、それら予想されるトラブル
をも回避することができる。

【００９５】なお、熱中性子拡散距離の約２倍以上離れ
た位置では中性子吸収材による熱中性子束の歪みは殆ど
無視される程小さくなるが、本実施例ではこの歪みを利
用するため、中性子検出器から中性子減速材の熱中性子
拡散距離の２倍以内の位置において中性子吸収材を移動
自在となるよう構成されている。

【００９６】次に、本実施例の作用を説明する。キャン
ペーンに先立って行われる中性子源を用いた校正試験で
は強度既知の中性子源を用い、詳細な中性子輸送計算の
助けを借りて中性子検出装置の感度評価が行われ、その
手法は炉物理実験や解析の専門家は対象条件に応じて実
施することができるので、ここでは主にキャンペーン中
の校正試験について説明する。

【００９７】中性子検出器としては通常熱中性子に特に
高感度ないわゆる熱中性子検出器が用いられる。熱中性
子検出器は熱外中性子にも若干感度を有するが、ミキサ
セトラの測定位置では熱外中性子成分は通常熱中性子成
分に比べて低く、結局熱外中性子を検出する割合は相当
小さいため、ここでは簡単のため熱中性子のみを考える
ことにする。

【００９８】ここで、(1) キャンペーン（正規データＣ
₁取得）中、(2) キャンペーン中でしかも校正のために
中性子吸収材を中性子検出器の近傍に配置した場合、
(3) 弱い中性子源を付加した中性子吸収材を中性子検出
器の近傍に配置した場合の３ケースを考える。

【００９９】この３ケースに対応する中性子検出装置の
計数率をＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃とする。また、Ｃ₂／Ｃ₁比
をＲとし、弱い中性子源に伴なう中性子計数率の上昇分
をＣ_sとすると、次の２つの式が成り立つ。Ｃ₂＝ＲＣ₁ …(8) Ｃ₃＝ＲＣ₁＋Ｃ_s …(9)

【０１００】弱い中性子源を付加した中性子吸収材を中
性子検出器に近づけてもキャンペーン中の中性子計数率
Ｃ₁より大きくならない条件を想定すると、Ｃ₁−Ｃ₃＝Ｃ₁（１−Ｒ）−Ｃ_s≧０ …(10) となる。Ｒの値は理論計算により求めることができる。
Ｃ₁は実際の運転条件に対して評価することができるの
で、上の条件を満足できるようにＣ_sの値、したがって
弱い中性子源の強度を決定することができる。また(8),
(9) 両式から、Ｃ₃−Ｃ₂＝Ｃ_s …(11) と書ける。

【０１０１】ここで、中性子検出装置に異常が発生した
場合を想定する。すなわち、アンプのゲイン変動、ディ
スクリセットずれが生じてノイズを計測したいガンマ線
を計測した場合を考えると、Ｃ₁およびＣ₂に一定の計
数率のバイアスが発生し、その結果、式(8) のＲ値が変
化するので異常が発見できる。

【０１０２】ノイズの発生がなく、ゲインが低下したり
ディスクリセット値が上昇した場合を考えるとＣ₁とＣ
₂との比は変化せず、したがって式(8) のＲ値により異
常を発見することはできないが、式(11)のＣ_s値は異常
が発生する以前、例えばキャンペーンに先立って基準値
として測定しておけば、その値は異常時には変化するた
め異常を発見することができる。

【０１０３】ケース(1) と(3) の校正試験を行う場合に
は、Ｃ₁−Ｃ₃＝（１−Ｒ）Ｃ₁＋Ｃ_s …(12) と書ける。ここで前述のようにノイズやガンマ線の計数
が生じた場合を考えると、Ｃ_sにキャンペーンに先立つ
測定値を用いれば、Ｃ₁，Ｃ₃ともに同一のバイアス計
数率（バックグラウンド計数率）δが加わり、式(5)
は、Ｃ₁−Ｃ₃＝（１−Ｒ’）（Ｃ₁＋δ）−Ｃ_s …(12a) となる。

【０１０４】式(12)と式(12a) の左辺は等しいため、Ｒ
はＲ’に変化しなければ両式を等しくすることができな
い。すなわち、Ｒ値があらかじめ理論計算等で求めた値
から変化するのでこのような異常を発見することができ
る。また、式(12)をＣ₁で割って式(13)をつくる。（Ｃ₁−Ｃ₃）／Ｃ₁＝（１−Ｒ）−（Ｃ_s／Ｃ₁） …(13)

【０１０５】ここで、前述のようにノイズの発生がな
く、ゲインが低下したりディスクリセット値が上昇した
場合を考えると、式(6) 左辺は一定であり、Ｃ_s／Ｃ₁
比は変化するため、Ｒ値を変えないと式(6) は成り立た
なくなる。Ｒ値は本来変わるべき値ではないため、Ｃ_s
／Ｃ₁が変化を生じれば異常であることがわかる。

【０１０６】以上説明したように、前記３ケースの校正
試験を行うことが最も好ましいが、(1) と(3) でも、概
ね同じ目的が達成できる。キャンペーン中の校正試験で
中性子源使用に伴い中性子計数率の上昇が許容できる場
合には(3) において中性子吸収材を除外することもでき
る。また、(1) と(2) でもある程度本発明の目的が達成
できる。

【０１０７】図10は第３の発明の第２の実施例を示すも
のであり、図10（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ縦断面図、図10
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ縦断面図であり、それぞれ図10
（Ａ）は図９（Ａ）と図10（Ｂ）は図10（Ｂ）と対応し
ている。

【０１０８】この第２の実施例では２本の中性子検出器
案内管７ａ，７ｂがある程度例えば10cm以上離れて容器
１の長手方向に平行に配置されている。中性子源案内管
15ａ，15ｂは中性子検出器案内管７ａ，７ｂに対応して
隣接されている。すなわち、７ａは15ａに、７ｂは15ｂ
にそれぞれ隣接配置されている。

【０１０９】中性子検出器案内管７ａ，７ｂ内には図10
（Ｂ）に示したようにそれぞれ直列に２本ずつの中性子
検出器16ａ，16ｂが配置されているが、本実施例ではさ
らに校正用中性子源案内管17が設けられている。

【０１１０】キャンペーンに先立って、この校正用中性
子源案内管17内で校正用中性子源を挿抜すると中性子検
出器案内管７ａ，７ｂ内に中性子検出器を配置したま
ま、その動作試験や校正試験を行うことができる。キャ
ンペーン中にはこの中で中性子検出器を挿抜すれば長手
方向の核燃料液体の状況を監視することができる。

【０１１１】なお、校正用中性子源案内管17を通常の中
性子源案内管として使用する場合には、この案内管17は
容器１の上側に配置することもできる。

【０１１２】このような構成はミキサセトラが比較的大
型の場合に有用である。中性子源案内管15ａ，15ｂによ
り本実施例の目的を達成できるのは第１実施例の場合と
同様である。

【０１１３】図11は第３の発明の第３の実施例を示すも
のであり、図11（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ矢視縦断面図、
図11（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視縦断面図であり、それ
ぞれ図11（Ａ）は図10（Ａ）と図11（Ｂ）は図10（Ｂ）
と対応している。

【０１１４】図11が図10と異なる点はミキサセトラの幅
が狭いため１段当たり１本の中性子検出器案内管７ａが
長手方向に配列され、それに隣接して中性子源案内管15
ａが配置されており、本実施例の目的を達している。さ
らに隣接する２段の容器の境界の下側には図10の場合と
同様に校正用中性子源案内管17が設けられている。

【０１１５】キャンペーンに先立って、この校正用中性
子源案内管17内の校正用中性子源を挿抜することによ
り、隣接する２段に設けられている中性子検出器案内管
７ａ内に中性子検出器を配置したまま、それらの動作試
験や校正試験を行うことができる。校正用中性子源案内
管17の上下方向の高さに大きな条件はなく、容器１の上
側や中性子減速材の下側に配置することも可能である。

【０１１６】

【発明の効果】本発明によれば、ミキサセトラ内に核燃
料液体が存在する場合でも、それに伴う中性子増倍の影
響を殆ど受けることなく中性子検出器の校正ができるミ
キサセトラが得られる。また、中性子源を使用しない
で、キャンペーン中にも中性子増倍率を測定することが
できる。さらに、キャンペーンに先立ち所定位置で中性
子検出器の校正ができ、キャンペーン中でも中性子検出
器の動作テストや校正を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は第１の発明に係るミキサセトラの第１
の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−
Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図２】（Ａ）は図１における変形例を示す縦断面図、
（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視方向を切断して示す
断面図。

【図３】（Ａ）は第１の発明に係るミキサセトラの第２
の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−
Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図４】（Ａ）は第１の発明に係るミキサセトラの第３
の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−
Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図５】（Ａ）は第２の発明に係るミキサセトラの第１
の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−
Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図６】図５におけるミキサセトラの作用を説明するた
めの縦断面図。

【図７】第２の発明に係るミキサセトラの第２の実施例
を示す縦断面図。

【図８】第２の発明に係るミキサセトラの第３の実施例
を示す縦断面図。

【図９】（Ａ）は第３の発明に係るミキサセトラの第１
の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−
Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図１０】（Ａ）は第３の発明に係るミキサセトラの第
２の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ
−Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図１１】（Ａ）は第３の発明に係るミキサセトラの第
３の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ
−Ｂ矢視方向を切断して示す断面図。

【図１２】（Ａ）は従来のミキサセトラを概略的に示す
立面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ
−Ｃ矢視方向を切断して示す縦断面図。

【符号の説明】

１…容器、２…区画壁、３…攪拌羽根、４…回転軸、５
…底板、６…中性子減速材、７，７ａ，７ｂ…中性子検
出器案内管、８…水相、９…油相、10…混合相、11…液
面、12，12ａ，12ｂ，12ｃ…中性子吸収材、13，13ａ，
13ｂ…吸収材のない部分、14…対称軸、15，15ａ，15
ｂ，…中性子源案内管、16，16ａ，16ｂ…中性子検出
器、17…校正用中性子源案内管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ２１Ｆ 9/04 Ｄ 9216−2Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長方箱形容器内に油相および水相を混合
するミキサ部と、このミキサ部で混合された油相および
水相を分離させるセトラ部とを備えかつ前記容器内に核
燃料液体を流して液々抽出を行うミキサセトラにおい
て、前記容器の下面側に板状中性子減速材を配置し、前
記容器の底面から一定の距離を隔てた前記減速材の内部
に中性子検出器を配置し、前記容器の底面の外側（下
側）で中性子検出器と前記容器底面との距離が最小とな
る一定の範囲を除く部位に中性子吸収材を板状に配置す
るとともに、前記中性子減速材の内部または前記容器と
反対側（下側）の前記中性子減速材の外側で前記容器底
面までの最短距離の位置を中心とした前記中性子吸収材
が配置された位置に中性子源を挿抜自在に配置したこと
を特徴とするミキサセトラ。
【請求項２】長方箱形容器内に油相および水相を混合
するミキサ部と、このミキサ部で混合された油相および
水相を分離させるセトラ部とを備えかつ前記容器内に核
燃料液体を流して液々抽出を行うミキサセトラにおい
て、前記容器の下面側に中性子減速材を配置し、前記中
性子減速材内で前記容器の長手方向に中性子検出器を挿
抜自在に中性子検出器案内管を配置するとともに、前記
容器の上面で前記中性子検出器案内管の上部の一部に中
性子反射体を配置したことを特徴とするミキサセトラ。
【請求項３】長方箱形容器内に油相および水相を混合
するミキサ部と、このミキサ部で混合された油相および
水相を分離させるセトラ部とを備えかつ前記容器内に核
燃料液体を流して液々抽出を行うミキサセトラにおい
て、前記容器の下面側に中性子減速材を配置し、前記中
性子減速材内に中性子検出器を配置するとともに、挿抜
自在に中性子源案内管を前記容器の上面または前記中性
子減速材内に配置し、かつ挿抜自在に校正用中性子源を
案内する校正用中性子源案内管を前記減速材内で前記中
性子検出器の近傍に配置したことを特徴とするミキサセ
トラ。
【請求項４】請求項２記載のミキサセトラにおいて、
前記容器の上面に中性子反射体を配置した位置の下側お
よびその位置の近傍で前記中性子反射体を配置していな
い位置の下側の前記中性子検出器案内管内で中性子計数
率を測定してその比率を求め、この比率を理論計算等で
求めたパラメータを介して反射体を配置した位置または
その近傍の中性子増倍率を求めることを特徴とするミキ
サセトラの中性子増倍率測定方法。
【請求項５】請求項３記載のミキサセトラにおいて、
核燃料を処理するキャンペーンに先立ち中性子源を中性
子源案内管内を移動させて中性子検出器の感度および動
作特性を測定し、キャンペーン中は中性子吸収材もしく
は中性子源を含む中性子吸収材の少くともいずれか一方
を中性子検出器近傍に設けた前記中性子源案内管内を移
動させて中性子検出器の動作状態を監視することを特徴
とするミキサセトラの中性子検出装置の校正方法。