JPS6058427B2 - 核分裂性燃料含量の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉用燃料の核分裂性燃料含量を測定する方
法に関する。

か）る原子炉は、例えば「ニュークリア・パワーエンジ
ニアリングョ″ＮｕｃｌｅａｒＰＯｗｅｒＥｎｇｊｎｅ
ｅｒｉｎｇ５５，Ｍ．Ｍ．ＥｌＷａｋｉｌ，ＭｃＧｒａ
ｗ−ＨｌｌｌＢＯＯｋＣＯｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．，ｌ９
６２に説明されている。１運転サイクル全体にわたつて
作動を維持するのに十分な量より過剰な燃料を原子炉に
定期的に装入するのが典型である。

この過剰量の燃料の結果として反応度が過剰となり、原
子炉運転中実効増倍率を１に維持するためには十分な強
さの制御システムが必要である。

制御システムは、通常、中性子の核分裂を起さない捕獲
または吸収により中性子数を制御する作用をなす中性子
吸収材または毒物質を利用する。代表的には制御システ
ムは、必要に応じて炉心に対して挿入または引抜き得る
複数個の選択的に付勢し得る毒物質含有制御棒などの形
態の機械的制御を含む。核燃料は適当な形態のウランお
よび／またはプルトニウムを含む。

例えば、水冷減速動力炉に通常用いられる燃料の場合、
燃料は二酸化ウラン（ＵＯ２）で構成されるが、その約
０．７〜５．０％が燃料親物質Ｕ−２３８と混合された
核分裂性物質Ｕ−２３５である。このような核燃料は代
表的には焼結ペレットの形態で、これを細長い被覆管に
入れて燃料要素または燃料棒を形成する。か）る燃料要
素は例えば米国特許第３３７８４５８号に示されている
。か）る燃料要素は群として配列され、原子炉の炉心の
個別に交換可能な燃料集合体に支持されている。代表的
な燃料集合体が、例えば米国特許第３６８９３５８号に
示されている。局部出力ピーキングを減少させて所望の
出力分布を達成するために、燃料集合体内で、半径方向
に、燃料要素毎にまた燃料要素の長さに沿つて軸線方向
に燃料濃縮度を変えることは周知である。

即ち、燃料要素の核分裂性燃料含量を要素の長さに沿つ
て領域毎に変えることができる。強い中性子吸収材てあ
るが、中性子吸収により低い制御価値（中性子吸収能）
の同位元素に変換されるガ下りニウムのような可燃性毒
物を燃料コアに、混入することも知られている。

可燃性毒物をこのように用いて機械的制御の必要量を減
少させ、可燃性毒物を適切に配置することにより出力分
布を改善することができる。可燃性毒物は、大抵の場合
、核燃料の選択部分との混合物として燃料要素に組込ま
れる。

核分裂性燃料含量の場合と同様に、燃料要素の可燃性毒
物含量を要素の長さに沿つて領域毎に変えることができ
る。可燃性毒物の領域毎の配置は、例えば米国特許第３
７９９８３吋に示されている。核燃料取扱いならびに燃
料要素および燃料集合体製造プロセスの間の品質制御お
よび同定の目的で、燃料要素の長さに沿つて核分裂性燃
料の量、濃縮度および位置を正確に測定する迅速な非破
壊測定方法が望まれている。燃料の相対的核分裂性物質
濃度または濃縮度を非破壊的に測定する従来方法は１受
動的走査ョと呼ぶことができる。

か）る方法は、Ｕ−２３５のような核分裂性物質の自然
放射性崩壊中に放出される特徴的エネルギーのγ線の定
量的検出に基づく。か）る方法は１アナリテイカル・ケ
ミストリイＪＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ
，■０１．２９，Ｎ０，１２，１９５７年１２月、１７
７０〜１７７１頁のＧ．Ｈ．ＭＯｒｒｉｓＯｎらの論文
′４Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉ０ｎ０ｆＵｒａｎｉｕｍ１
−２３５ｂｙＧａｍｍａＳｃｉｎｔｉ１１ａｔｉ０ｎＳ
ｐｅｃｔｒ０ｍｅｔｒｙ３３に説明されている。濃縮度
を測定するこの受動的走査法のさらに発達したものでは
、Ｕ−２３８の娘核種により放出されたγ線の検出に基
づいてＵ−２３５指示値を補正する。

か）る補正を用いる測定方法およびシステムは例えば、
１マテリアル●エバルユエイシヨンＪＭｅｔｅｒｉａｌ
ｓＥＶａｌＬ］ＡｔｌＯｎ，ｌ９６６年８月、４３１〜
４３５頁のＣ．Ｎ．ＪａｃｋｓＯｎ，Ｊｒ．の論文６６
ＥｎｒｉｃｈｍｅｎｔＴｅｓｔｅｒｆ０ｒ０．１５ｔ０
３．０ＷｅｊｇＩ１ｔＰｅｒＣｅｎｔＵ−２３５Ｕｒａ
ｎｉｕｍＦｕｅＰ′およびＪ．Ｔ．ＲＬｌｓｓｅＩｌの
米国特許第３３８９２５４号に記載されている。Ｕ−２
３５は半減期が比較的長いのて、その自然崩壊速度、ま
たその結果のγ線放出は低い。

このこととγ線放出の統計的性質故に、受動的走査法に
よる正確なＵ−２３５測定に必要な走査時間は、”生産
用燃料、特に低濃縮度燃料にとつて望ましくない程に長
い。例えば２〜３％の濃縮度の燃料を含有する長さ４．
５ｍ程度の燃料要素は、単一のγ線検出器を用いて濃縮
度測定に適当な精度を達成するには、４紛程度の走査時
間を要することを確一かめた。走査すべき燃料要素に隣
接させて複数個のγ線検出器を順々に配置することによ
つて検出量（ＴｈｒＯｕｇｔｌｐｕｔ）を増す、即ち燃
料要素の走査時間を短縮することができる。

燃料要素の各局部セグノメントに帰因する検出器からの
γ線カウントを累算、合計し、所定の精度に必要な走査
時間を使用検出器数の平方根に比例して短縮する。放射
線放出物質を区分けする複数個の放射線検出器の配置は
Ｆ．Ｔ．ＨＯｌｍｅｓの米国特許第２７１７６９３号に
開示されている。燃料物質の濃縮度および核分裂性物質
含量を同時に非破壊測定する方法は０能動的走査ョと呼
ふことができる。

この方法では、燃料要素が選択されたエネルギーの中性
子の細いビームを通過するように移動し、核分裂性物質
、例えばＵ−２３５の中性子誘起核分裂から生じる燃料
要素の連続局部部分からのγ放射線を検出する。各局部
部分からの放射線カウントは、中性子放射化ビームの強
さおよび局部部分のＵ−２３５の濃度の函数である。能
動的核分裂性物質含量アナライザシステムは例えば西ド
イツ国特許公報第１９２３９８３号（１９６ｇｊｆ．１
１月２０日公告）およびＲ．Ａ．Ｐｒｉｔｃｈｅｔｔの
米国特許第３０１８３７４号に開示されている。能動的
走査システムは、核分裂性物質含量および濃縮度測定が
正確であり、これにより得られる走査速度が好適な値を
呈するのて商業用核燃料製造施設に使用されている。

しかし、燃料要素が燃料と混合された可燃性毒物を含有
する場合、中性子放射化または能動的走査方法は有効で
ない。このような燃料要素は可燃性毒物、例えばガドリ
ニウムを１〜１鍾量％程度の量含有する。この程度の量
のガ下りニウムは燃料ペレットまたは本体を中性子に対
して実質的に不感応性とする。即ち、放射化中性子は本
体の表面の可燃性毒物により吸一収され、核分裂性物質
を適当に放射化するのに十分な程侵透しない。さらに、
燃料棒の長さに沿つて可燃性毒物濃度が変化することに
より、核分裂性燃料含量の測定が正確でなくなりがちで
ある。ガ下りニウム含有撚料の濃縮度および核分裂性．
物質含量を測定するための現在の品質制御技術は、代表
的と思われるサンプルを破壊測定するが、直接測定でな
く経費が嵩み労力を多大に要するので望ましくない。従
つて、可燃性毒物を含有する燃料の核分裂性＝物質含量
、濃縮度および位置を迅速、正確かつ同時に測定する非
破壊測定方法および装置が求められている。

本発明の方法によれば、自然放射性崩壊により燃料から
放出されるγ線に応答する１個またはそ４れ以上の検出
器を通過するように燃料要素を移動することによつて、
燃料要素を走査する。

γ線のエネルギーに比例する大きさを有する検出器から
のパルスをパルス波高分析器に送り、これを所定のエネ
ルギー範囲に従つて２つのチャンネルに分離する。各チ
ャンネルのパルスを計数（カウント）し、カウントを燃
料要素の長さに沿つた順次の領域に対応関係で記憶する
。一方のチャンネルは、核分裂性物質、例えばＵ−２３
５に主として帰因するγ線のカウントを含み、他方のチ
ャンネルは、Ｕ−２３８の娘核種に主として帰因する異
なるエネルギーのγ線のカウントを含む。各領域の可燃
性毒物（例えばガドリニウム）含ｌ量、燃料密度および
被覆厚さを測定する手段を設け、核分裂性物質カウント
および娘核種カウントをこれらに従つて補正する。

次に核分裂性物質（Ｕ−２３５）カウントをさらに補正
して補正Ｕ−２３８子元素生成物カウントの影響を排除
し、このように補正したＵ−２３５カウントから各領域
中のＵ−２３５の重量百分率を求める。

Ｕ−２３５の重量百分率から領域中のガドリニウムの重
量百分率および燃料の密度を求めるとともに、領域の体
積から各領域中のＵ−２３５の重量を求めることができ
る。

本発明により解決する問題を具体的に説明する目的で、
第１図に燃料濃縮度および可燃性毒物の量が燃料要素の
長さに沿つて各領域毎に変化する燃料要素の１例を１０
で示す。

図示例においては、濃縮度および可燃性毒物含量の変化
が一致している。即ち、濃縮度および可燃性毒物含量双
方とも所定の領域で一定である。この配置は代表的なも
のであるが、本発明の必要条件ではない。即ち、濃縮度
を１つの可燃性毒物領域内で変えることができ、またそ
の逆にもできる。本発明の方法を実施するための装置の
１例配置を第２図に機能的ブロック表示してある。

ここに示されたタイミング、制御、記憶および計算機能
は通常当業界で周知の適当にプログラムされたデータ処
理装置によつて行うことができる。走査対象である燃料
要素１０は、代表的には、燃料ペレットの柱状積重体を
外径約１２．７ＷＩｔ１壁厚０．８０Ｔ！ｒ！！ｔ程度
のジルコニウム合金製被覆管中に密封してなる。

燃料柱状体の長さは代表的には３．５ｎ１程度である。
燃料要素１０を、例えば複数個の適当に配置された溝車
１２によつて駆動して走査ステーション内を案内する。
適当な駆動回路１６により制御されるステップモータ１
４によつて溝車１２の１個または複数個を駆動する。駆
動回路１６はマスタタイミング兼制御システム１８から
付勢制御信号Ｃ１を受取る。燃料要素１０の通路に沿つ
て複数個の燃料要素位置センサ２０を配置する。

位置センサ２０は周知のパルス化赤外線光電型とするこ
とができ、か）る装置は、例えばオプコン社（０ＰＣ０
ＮＩＴ１Ｃ．、米国ワシントン州所在）から入手できる
。センサ２０からの信号Ｐ１〜Ｐｎをタイミング兼制御
システム１８．に送信して、ステップモータ付勢信号Ｃ
１の頻度を、従つて走査ステーションを通過する燃料要
素の速度を制御する。１作動モードにおいては、燃料要
素１０内の燃料の複数個の所定長さの連続領域を燃料要
素位置センサの信号および所定の燃料要素速度から確定
し同定し、そして信号の領域同定パターンをタイミング
兼制御システム１８に確立する。

各領域の長さは任意に選択できる。例えば、各領域は幾
つかの燃料ペレットにまたがるかまたは１燃料ペレット
の長さとし、それにより各ペレットの核分裂性燃料含量
を測定するか、あるいはまた核分裂性燃料含量に高度の
精密度が望まれる場合には、各領域を１燃料ペレットの
長さの数分の１とすることもできる。（燃料中の可燃性
毒物の分布に基づく別の領域確定モードは後述する。）
燃料要素１０の通路に沿つてほかに、被覆壁厚センサ２
２、燃料密度センサ２４、可燃性毒物含量センサ２６お
よび複数個のγ線検出器４２（１）〜４２（ｎ）を配置
する。

被覆壁厚センサ２２は任意適当な型式のものとすること
ができ、例えは被覆の外表面および内表面からの超音波
の反射の時間差を検出することにより壁厚を測定する超
音波システムとする。

か）る装置は、例えばソニツク・インストルメント社（
ＳＯｎｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＩｎｃ．、米国ニユー
ジヤージ州所在）から入手できる。壁厚センサ２２から
の信号を、（ディジタル形態になつていない場合には）
好ましくはアナログ−ディジタル変換器３０によりディ
ジタル化し、後で利用するのに好都合なように領域毎に
記憶装置３２に記憶する。

この際領域同定情報を制御システム１８から接続線Ｃ２
を経て送給する。（単一接続線として示されているが、
制御システム１８とこのシステムの他の要素との間の接
続線Ｃ１〜Ｃｎは、その場合に必要な通りの数のタイミ
ング、制御および情報信号路を提供する。）好ましくは
壁厚読取値をセンサ２２から、制御回路１８からの定期
的クロック信号の制御下に（例えば、燃料要素長さに沿
つて５Ｔ１ｒ！ｎの距離毎に）取出し、記憶装置３２に
含まれる適当な処理手段により、これらの壁厚信号を処
理して各領域に沿つた平均壁厚を確定し、これにより各
領域の平均壁厚を表わす信号を後利用のために該記憶装
置に記憶する。

燃料密度センサ２４は、燃料要素の互に反対側に位置す
る適当なγ線ビーム源およびγ線検出器よりなる周知の
γ線デンシトメータとすることができる。

γ線ビームは燃料要素を通過する際に燃料密度に比例し
て減衰され、従つてγ線検出器からの出力信号は燃料密
度と直接的に関係している。密度センサ２４からの信号
を好ましくはアナログ−ディジタル変換器３４によりデ
ィジタル化し、後で利用するのに好都合なように領域毎
に記憶装置３６に記憶する。

この際、領域同定情報を制御システム１８から接続線Ｃ
３を経て送給する。好ましくは燃料密度読取値をセンサ
２４から、制御回路１８からの定期的クロック信号の制
御下に（例えば、燃料要素長さに沿つて５順の距離毎に
）取出し、記憶装置３６に含まれる信号平均化手段によ
り平均値を得、これにより各領域内の燃料の平均密度を
表わす信号を後利用のために該記・憶装置に記憶する。

可燃性毒物含量センサ２６は磁気式のものとすることが
でき、常磁性可燃性毒物、例えばガ下りニウムの量およ
び分布を、燃料要素が磁界を通過する際の磁化率の（Ｐ
ａｒａｍａｇｒｌｅｔｉｃ：Ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉ
ｔｙ）変化から測定する。

可燃性毒物センサ２６からの信号を好ましくはアナログ
−ディジタル変換器３８によりディジタル化し、各領域
の平均可燃性毒物含量を求め、適当な記憶装置４０に後
利用のために記憶する。自然放射性崩壊に基づいて燃料
から放出されるγ線を検出するγ線検出器は第２図にセ
ンサ４２（１）〜４２（ｎ）として示されている。γ線
センサ４２（１）〜４２（ｎ）をシンチレータ型のもの
とするのが好ましく、例えば厚さ１．３Ｃ７１１外径４
（７ｎ程度のヨー化ナトリウムのようなシンチレータ材
料のスラブに中心穴を設けて、ここに燃料要素１０を通
過させ得るようにする。シンチレータスラブを光増倍管
に結合してシンチレーシヨンを検出しこれを電気的パル
スに変換する。検出器はリチウムドリフト化ゲルマニウ
ムまたは真性ゲルマニウムのようなソリッドステート型
とすることができる。検出器４２（１）〜４２（ｎ）は
必要な前置増幅器およびパルス整形器も含む。か）る検
出器および放射線検出および測定のその他の点について
は、例えば１ニュークリア・ラジエイシヨン・デイテク
シヨンＪ６４ＮｕｃｌｅａｒＲａｄｉａｔｉＯｎＤｅｔ
ｅｃｔｉＯｎ″Ｗ．Ｊ２Ｐｒｉｃｅ，ＭｃＧｒａｗＨｉ
ｌｌＢＯＯｋＣＯｍｐａｎｙ，ｌ９６４に説明がある。
検出器４２（１）〜４２（ｎ）それぞれからの信号を各
１対の信号チャンネルアナライザ４４および４４″に並
列に供給する。

アナライザ４４および４４″の機能は検出器からのパル
スを２群に分ける、即ち核分裂性物質の特徴的エネルギ
ーピークに対応するエネルギーのγ線から得られるパル
スとか）る特徴的なエネルギーピークより高いエネルギ
ーのγ線から得られるパルスとに分離することにある。
従つてアナライザ４４および４Ｃは本質において上下の
入力閾値を有する増幅回路てあり、回路の応答は閾値設
定値により、所定の振幅範囲に限定されるか、１窓ョ状
に定められる。

か）るアナライザはよく知られており、例えば米国特許
第３１１４８３５号に記載されており、例えばテネレツ
ク●インストルメント社（ＴｅｎｎｅｌｅｃＩｎｓｔｒ
ｕｍｅｎｔ．ＣＯｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．，米国テネシー
州所在）からＡｎａｌｙｚｅｒＭＯｄｅｌＴＣ２ｌ４と
して入手てきる。本発明によれは、核分裂性物質がＵ−
２３５てある場合、アナライザ４４は約１５５〜２２０
Ｋｅｖの範囲内のエネルギーを有するγ線から得られる
検出器．パルスに応答し、従つてＵ−２３５の１８４Ｋ
ｅｖの特徴的ピークを包含するように調節する。アナラ
イザ４『はＵ−２３８の放射性娘核種に基づく約２４５
〜１１９０Ｋｅｖの範囲内のエネルギーを有するγ線か
ら得られる検出器パルスに応答するように調節す・る。
これによりＵ−２３識核種補正カウントを得ることがで
きる。アナライザ４４および４４″からの出力パルス信
号をそれぞれのパルスカウンタ４６および４６″に送り
、ここでパルスのカウントを累算する。

制御システム１８から接続線Ｃ５を経て送られるクロッ
クパルスの制御下で、カウンタ４６および４６″のカウ
ントを定期的に（例えば３００ｒｎｓ毎に）それぞれの
累算および記憶装置４８および４８″に送り、カウンタ
４６および４６″をリセットする。累算兼記憶装置４８
および４『は領域同定情報を制御回路１８から接続線Ｃ
６を経て受取り、冫これによりカウンタ４６からのＵ−
２３５カウントを領域毎に受信し装置４８に記憶する一
方、カウンタ４６″からのＵ−２羽娘核種カウントを領
域毎に受信し装置４『に記憶する。

連続的に配列された多数の検出器４２（１）〜４２（ｎ
）それぞれが燃・料領域それぞれを連続的に走査するに
つれて、各領域についての各検出器からのＵ−２３５カ
ウントおよびＵ−２３ＦＢ核種カウントを累算兼記憶装
置４８および４８″で累算する。従つて燃料要素１０の
走査終了時に、装置４８および４『は検出ｊ器４２（１
）〜４２（ｎ）それぞれからの各領域についてのＵ−２
３５およびＵ−２３ＦＢ核種カウントを累算し終る。前
述したように、多数の検出器を使用し、検出器からのカ
ウントを累算して走査時間を短くすることは米国特許第
２７１７６９３号に開示されている。

検出器４２（１）〜４２（ｎ）による燃料要素１０の走
査ならびに記憶装置４８および４『へのＵ−２３５およ
びＵ−２３８娘核種カウントの累算および記憶の完了後
、一連の補正を行う。即ちＵ−２３５およびＵ−２３８
娘核種カウントを被覆壁厚、燃料密度および可燃性毒物
含量について補正し、さらに補正されたＵ−２３８娘核
種カウントによりＵ−２３５カウントを補正する。これ
らの補正機能は、第２図に機能回路５０，５『，５２，
５２″，５４，５４″および５６として示した周知のデ
ータ処理手段によつて行うことができる。タイミング兼
制御回路１８から接続線Ｃ７〜ＣｌＯを経て適当な制御
信号を機能回路に与える。Ｕ−２３５およびＵ−２３８
娘核種カウントを壁厚、密度および可燃性毒物含量につ
いて補正する場合、これらの数量の設計値からの偏差に
比例する値、即ち第２図に機能回路５０と５『，５２と
５２″および５４と５４″への入力信号Ｄｗ，ｄｄおよ
びＤｐとして示される値を使用するのが好ましい。

偏差信号Ｄｗ，ｄｄおよびＤｐは次のように与えられる
。各領域の被覆壁厚、燃料密度および可燃性毒物含量の
設計値を記憶装置５８に入れ記憶する。壁厚、密度およ
び可燃性毒物含量の記憶されている測定値を記憶装置３
２，３６および４０からそれぞれ読出すとき、これらの
測定値を記憶装置５８からの対応する設計値と共にそれ
ぞれの比較回路、例えは差動増幅器６０，６２および６
４に送り、これにより偏差信号挽，ＤｄおびＤｐを得る
。Ｕ−２３５およびＵ−２３８娘核種カウントを補正す
る過程は次の通りてある。

Ｕ−２３５およびＵ−２３８娘核種カウントを記憶装置
から領域毎に且つ並列的に読出す。未補正Ｕ−２３５カ
ウントをカウント信号Ｎとし、未補正Ｕ−２３８娘核種
カウントをカウント信号Ｂｒと称する。カウントＮおよ
び信号Ｄｗを機能回路５０に供給すると、この回路５０
は次式に従つて出力カウント信号Ａｗを与える。

但し、Ａｗは被覆壁厚について補正したＵ一２３５カウ
ント、ｋは未補正のＵ−２３５カウント、 ｅは自然対数の底、 Ｄｗは壁厚の設定値からの偏差、 Ｋ１は壁厚補正定数である（なお、定数ＫｌＫｌｌは後
で詳しく定義する）。

カウントＢｒおよび信号Ｄｗを機能回路５『に供給する
と、この回路５『は次式に従つて出力カウント信号Ｂｗ
を与える。

但し、Ｂｗは被覆壁厚について補正したＵ−２３８娘核
種カウント、Ｂｒは未補正のＵ−２３８娘核種カウント
、民は壁厚補正定数である。

カウントＡｗおよび信号Ｄｄを機能回路５２に供給する
と、この回路５２は次式に従つて出力カウント信号Ａｗ
ｄを与える。

但し、Ａｗｄは被覆壁厚および燃料密度について補正し
たＵ−２３５カウント、Ｄｄは燃料密度の設定値からの
偏差、 Ｋ２は密度補正定数である。

カウントＢｗおよび信号Ｄｄを機能回路５２″に供給す
ると、この回路５２″は次式に従つて出力カウント信号
Ｂｗｄを与える。

但し、Ｂｗｄは被覆壁厚および燃料密度につい て補
正したＵ−２３議核種カウント、 現は密度補正定数で
ある。

カウントＡｗｄおよび信号ルを機能回路５４に供給する
と、この回路５４は次式に従つて出力カウント信号Ａｗ
ｄｐを与える。

本１Ｊν１で 但し、Ａｗｄｐは被覆壁厚、燃料密度および可燃性毒物
含量について補正したＵ−２３５カウ ント、Ｄｐは可
燃性毒物含量の設定値からの偏差、Ｋ３は可燃性毒物含
量補正定数である。

カウントＢｗｄおよび信号ルを機能回路５４″に供給す
ると、この回路５Ｃは次式に従つて出力カウント信号Ｂ
ｗｄｐを与える。

但し、Ｂｗｄｐは被覆壁厚、燃料密度および可燃性毒物
含量について補正したＵ−２３８娘核種カウント、現は
可燃性毒物含量補正定数である。

カウントＡｗｄｐおよびＢｗｄｐを機能回路５６に供給
すると、この回路５６は次式に従つて出力カウント信号
Ａｃを与える。

但し、Ａｃは最終補正されたＵ−２３５γ線カウ ント
、Ｋ７はＵ−２３８娘核種カウント補正定数であ る。

２つの機能回路を追加して設ける。

機能回路６６は最終補正Ｕ−２３５カウントＡｃを、各
領域のＵ”−２３？農縮度（例えばＵ−２３５重量パー
セント）を示す信号Ａｅに変換し、そして機能回路６８
は領域毎のＵ−２３５の重量を求める。つまり機能回路
６６は補正済Ｕ−２３５カウント信号Ａｃおよび接続線
Ｃｌｌからの領域位置および制御信号を受取り、次式に
従つて出力信号Ａｅを与える。

但し、Ｍは重量パーセントで表わした領域の平均濃縮度
、 Ｋ８およびＫ９は濃縮度校正定数である。

濃縮度信号Ａｅをこのシステムから有用な出力として取
出すことができる。

各領域中のＵ−２３５の重量を、領域中のＵ−２３５お
よび可燃性毒物の重量パーセントと各領域の密度および
体積とから求める。

通常の製造では燃料ペレットの直径を注意深く制御する
ので、これを一定値と考えることができる。従つて機能
回路６８はＵ−２３？農縮度信号Ａｅおよび記憶装置３
６，４０および制御回路１８からの信号Ｄｍ，Ｐｗおよ
びＬｚを受取り、次式に従つて出力信号Ａｗｔを与える
。

但し、Ａｗｔは領域中のＵ−２３５の重量、Ｄｍは理論
密度に対するパーセントで表わした領域中の燃料の測定
密度、Ｌｚは領域の測定長さ、 Ｐｗは領域中の可燃性毒物の測定重量パーセント、Ｋｌ
Ｏは変換定数、 Ｋｌｌは検定標準と比較した測定時のバイアスに相当す
る定数、項０．０１は重量パーセントを重量分数に変換
する係数てあり、項１０．９５は可燃性毒物なしのＵＯ
２燃料ペレットの理論密度（ｇ／Ｃｃ）を示し、項０．
３４は１％の、可燃性毒物含量の添加に基づくペレット
密度の変化を示す。

領域長さを均一になるように選択すれば、領域長さ信号
Ｌｚは一定値である。

しかし、場合によつては、例えば第１図に示すような燃
料要素において可変領域長さを用いるのが望ましい。こ
の例では燃料濃縮度および可燃性毒物含量の設計値は各
可燃性毒物領域全体にわたつて均一であるが、燃料濃縮
度および可燃性毒物含量の双方とも領域毎に変化する。
このような場合、可燃性毒物センサ２６およびタイミン
グ兼制御回路１８を用いて可燃性毒物の可変領域長さを
測定し、第２図に示す本発明の核分裂性含量測定方法に
おいて領域長さＬｚとして用いることができる。この場
合領域長さを隣接、領域間の界面における可燃性毒物信
号の変化から定める。即ち、可燃性毒物センサ２６から
の信号Ｂｐをタイミング兼制御回路１８に送り、信号Ｂ
ｐのレベルの変化を（燃料要素位置信号Ｐ１〜Ｐｎとと
もに）用いて領域同定および領域長さ信号ｂを得る。上
記の式（１）〜（９）に記載した定数Ｋ１〜Ｋｌｌは次
のように詳細に定義される。

Ｋ１は、観察されたＵ−２３５カウントの被覆厚さへの
指数依存係数を示す。

Ｋ１を求めるには、異なる既知の被覆厚さの２つの燃料
要素において老成燃料（Ａｇｅｄｆｕｅｌ）の長期Ｕ−
２３５γ線カウント７を得、これらのカウントを式（１
）に代人し、Ｋ１について解を求める。Ｋ２は、Ｕ−２
３５カウント密度補正定数であり、密度の単位百分位数
変化当りの補正済Ｕ−２３５カウントの分数変化を示す
。

Ｋ２を求めるには、所ノ定の被覆厚さの燃料要素におい
て、所定の可燃性毒物含量てあるが２つの異なる既知の
密度の老成燃料のγ線カウントを得、これらのカウント
を式（３）に代人し、Ｋ２について解を求める。Ｋ３は
、Ｕ−２３５カウント可燃性毒物補正定数であり、可燃
性毒物含量の単位百分位数変化当りの補正、Ｕ−２３５
カウントの分数変化を示す。Ｋ３を求めるには、所定の
密度であるが異なる既知の可燃性毒物含量の老成燃料を
含有する所定の被覆厚さの２つの燃料要素のγ線カウン
トを得、これらのカウントを式（５）に代人して、Ｋ３
について解を求める。？は、観察されたＵ−２３８カウ
ントの被覆厚さへの指数依存係数を示す。

Ｋ４を求めるには、異なる既知の被覆厚さの２つの燃料
要素において老成燃料の長期Ｕ−２３８γ線カウントを
得、これらのカウントを式（２）に代人し、Ｋ４につい
て解を求める。Ｋ５は、Ｕ−２３８カウント密度補正定
数であり、密度の単位百分位数変化当りの補正Ｕ−２３
８カウントの分数変化を示す。

現を求めるには、所定の被覆厚さの燃料要素において、
所定の可燃性毒物含量であるが２つの異なる既知の密度
の老成燃料のγ線カウントを得、これらのカウントを式
（４）に代人し、現について解を求める。現は、Ｕ−２
３８カウント可燃性毒物補正定数であり、可燃性毒物含
量の単位百分位数変化当りの補正Ｕ−２３８カウントの
分数変化を示す。

Ｋ６を求めるには、所定の密度であるが異なる既知のの
可燃性毒物の老成燃料を含有する所定の被覆厚さの２つ
の燃料要素のγ線カウントを得、これらのカウントを式
（６）に代人し、現について解を求める。Ｋ７は、Ｕ−
２３８娘核種カウント補正定数であり、Ｕ−２３５崩壊
のみに基づく正味のカウントＡｃを得るために、補正Ｕ
−２３５カウントから差引かなければならない補正Ｕ−
２３８カウントの部分を示す。

Ｋ７を求めるには、既知の同じ濃縮度であるが２つの異
なる年令の燃料領域について（式（５）および（６）か
ら）Ｕ−２３５およびＵ−２羽補正カウントＡｗｄｐお
よびＢｗｄｐを測定する。（ここで１年令ョは、Ｕ−２
３８のｎおよびＰｕ子元素生成物を燃料から分離するウ
ランの最終化学処理からの経過時間を意味する。）これ
からＫ７は、 で与えられる。

Ｋ８およびＫ９は濃縮度校正定数であり、これらを求め
るには、所定の同じ燃料密度、被覆壁厚および可燃性毒
物含量であるが異なる既知の濃縮度の燃料要素領域のγ
線カウントを得る。

得られたカウントを式（８）に代人し、測定された平均
濃縮度Ａｅと既知の平均濃縮度との間の差が最小になる
までＫ８およびＫ９の値を反復選択する。ＫｌＯは、測
定単位をグラム（ｇ）に変える変換定数である。

これは既知のＵ−２３５重量、密度、可燃性毒物含量、
濃縮度および長さの校正標準要素を測定することにより
求められる。Ｋｌｌは、核物質管理定数である。

これは既知の標準要素のＵ−２３５の重量の測定値を比
較することによつて求められる。この比較は比較的長時
間の期間（例えば１週間）にわたつて行う。この定数の
目的は、Ｕ−２３５重量の測定における長期間バイアス
を最小にすることにある。本発明の方法を用いる１適用
例においては、燃料要素は外径約１．ｃｍ１壁厚約０．
８Ｔｍのジルコニウム合金管で被覆され、ここに長さ約
３．５ｍの燃料ペレットの柱状積重体を入れたものであ
つた。

燃料は燃料要素内で長さ、濃縮度およびガドリニウム含
量の異なる７つの領域として配列されていた。燃料要素
を１．５フィート／分（４５ｍ／Ｍｉｎ）の速度で駆動
してγ線検出器を通過させ、読取値をパルスカウンタか
ら３サンプル／秒サンプリング割合で取出した。この燃
料要素の走査結果を第３図に示す。燃料要素中のＵ−２
３５含量の測定精度は±０．４％程度（単一標準偏差）
であつた。本発明を方法の特定例および方法を実施する
具体的配置について説明したが、本発明の範囲内で種々
の変更が可能である。例えば、γ線検出器からの信号の
補正および処理は燃料要素の走査の終了を待つ必要がな
く、最終検出器が第１領域の走査を完了するとすぐに開
始できる。被覆壁厚、燃料密度および可燃性毒物含量の
感知はγ線走査速度より著しく速い（例えば２〜４倍程
度速い）走査速度で行われるので、壁厚センサ２２、密
度センサ２４および可燃性毒物含量センサ２６を別の走
査ステーションに配置し、多数のγ線走査ステーション
を設けてシステムの全体としての検出量（ＴｈｒＯｕｇ
ｈｐｕｔ）を増すのが望ましい。

Ｕ−２３囁１定精度は濃縮度および走査速度の函数であ
るので、γ線走査速度を領域の濃縮度に比例して領域毎
に変えるのが好ましい。

このことにより検串量を増すだけでなく、各領域につい
て同じＵ−２あ測定精度を得ることができる。次々のサ
ンプリング時刻のＵ−２３５γ線カウントを比較し、所
定の大きさの変化を検出すること“によつて１領域内の
基準かららはずれたペレット（即ち、間違つた濃縮度の
ペレット）を検出する手段を設けることができる。

本発明の方法を実行する装置を第２図に機能的ブロック
図として示したが、これらの機能は多種多様な周知の態
様で、例えば適当にプログラムされたデータ処理装置に
よつて達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は可燃性毒物含量および燃料濃縮度が長・さに沿
つて軸線方向に領域毎に変化する燃料要素の１例を示す
略図、および第２図は本発明方法を実施する構成を示す
機能的ブロック図である。 第３図は本発明によつて燃料要素の１つを試験して得た
、データの表である。１０・・・燃料要素、１８・・・
タイミング兼制御回路、２０・・・位置センサ、２２・
・・被覆壁厚センサ、２４・・・燃料密度センサ、２６
・・・可燃性毒物含量センサ、３２，３６，４０・・・
記憶装置、４２（１）〜４２（ｎ）・・・γ線検出器、
４４，４４″・・チャンネルアナライザ、４６，４６５
・・カウンタ、４８，４８″・・・累算兼記憶装置、５
０，５『，５２，５２″，５４，５Ｃ，５６・・・機能
回路、５８・・・設計値記憶装置、６６，６８・・・機
能回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細長い被覆管内に核燃料を入れ、可燃性毒物を燃料
   の選ばれた部分と混合して含有する燃料要素において、
   核燃料の核分裂性燃料含量を測定するにあたり、（１）
   前記燃料要素内の燃料に複数個の連続領域を定め、（２
   ）前記連続領域の各々において燃料の自然放射性崩壊に
   基づくγ線放出を順次検出し、（３）前記領域それぞれ
   からのγ線信号を分析し、主として核分裂性燃料に帰し
   得る所定のエネルギー範囲内のγ線の第１γ線カウント
   を求めるとともに、前記所定のエネルギー範囲より高い
   エネルギーのγ線の第２γ線カウントを求め、（４）各
   領域について、その領域の被覆の厚さを測定し、（５）
   第１および第２γ線カウントを各領域の被覆の厚さに従
   つて補正し、（６）各領域内の燃料の密度を測定し、 （７）前記第１および第２γ線カウントを各領域内の燃
   料の密度に従つて補正し、（８）各領域内の可燃性毒物
   の重量百分率を測定し、（９）各領域について、第１お
   よび第２γ線カウントを各領域内の可燃性毒物の重量百
   分率に従つて補正し、（１０）補正された第２γ線カウ
   ントに従つて前記第１γ線カウントを補正し、（１１）
   このように補正された第１γ線カウントから各領域内の
   核分裂性燃料の重量百分率を求める、以上の諸工程を有
   する核燃料の核分裂性燃料含量測定方法。 ２ さらに、核分裂性燃料の重量百分率から前記領域中
   の可燃性毒物の重量百分率および燃料の密度を求めると
   ともに、領域中の燃料の体積から各領域中の核分裂性燃
   料の重量を求める工程を含む特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３ 前記領域の長さを燃料要素の長さに沿つての可燃性
   毒物の分布から定める特許請求の範囲第１または２項記
   載の方法。 ４ 前記核分裂性燃料がＵ−２３５で、前記核燃料がウ
   ラン燃料である特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１
   項に記載の方法。 ５ さらに、Ｕ−２３５の重量百分率から前記領域中の
   可燃性毒物の含量および燃料の密度を求めるとともに、
   領域中の燃料の体積から各領域中のＵ−２３５の重量を
   求める工程を含む特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 核燃料をウラン燃料、可燃性毒物をガドリニウム、
   核分裂性燃料をＵ−２３５とする特許請求の範囲第１項
   記載の方法において、第（３）工程では、第１γ線カウ
   ントを約１５５〜２２０Ｋｅｖの範囲内のエネルギーの
   γ線について求めるとともに、第２γ線カウントを約２
   ４５〜１１９０Ｋｅｖの範囲内のエネルギーのγ線につ
   いて求め、第（５）工程では、前記第１γ線カウントを
   次式：Ａｗ＝Ａｒ／ｅＫ＿１ｄｗ（但し、Ａｗは被覆壁
   厚について補正された前記第１カウント、Ａｒは未補正
   の第１カウント、ｅは自然対数の底、ｄｗは壁厚の設計
   値からの偏差、Ｋ＿１は壁厚補正定数である）に従つて
   補正し、前記第２γ線カウントを次式： Ｂｗ＝Ｂｒ／ｅＫ＿４ｄｗ （但し、Ｂｗは被覆壁厚について補正された前記第２カ
   ウント、Ｂｒは未補正の第２カウント、Ｋ＿４は壁厚補
   正定数である）に従つて補正し、第（７）工程では、前
   記第１γ線カウントを次式：ＡＷｄ＝Ａｗ／（１＋Ｋ＿
   ２ｄｄ）（但し、Ａｗｄは被覆壁厚および燃料密度につ
   いて補正された前記第１カウント、ｄｄは燃料密度の設
   定値からの偏差、Ｋ＿２は密度補正定数である）に従つ
   て補正し、前記第２γ線カウントを次式： ＢＷｄ＝Ｂｗ／（１＋Ｋ＿５ｄｄ） （但し、Ｂｗｄは被覆壁厚および燃料密度について補正
   された前記第２カウント、Ｋ＿５は密度補正定数である
   ）に従つて補正し、第（９）工程では、前記第１γ線カ
   ウントを次式：Ａｗｄｐ＝Ａｗｄ／（１＋Ｋ＿３ｄｐ）
   （但し、Ａｗｄｐは被覆壁厚、燃料密度およびガドリニ
   ウム含量について補正された前記第１カウント、ｄｐは
   ガドリニウム含量の設計値からの偏差、Ｋ＿３はガドリ
   ニウム含量補正定数である）に従つて補正し、前記第２
   γ線カウントを次式： Ｂｗｄｐ＝Ｂｗｄ／（１＋Ｋ＿６ｄｐ） （但し、Ｂｗｄｐは被覆壁厚、燃料密度およびガドリニ
   ウム含量について補正された前記第２カウント、Ｋ＿６
   はガドリニウム含量補正定数である）に従つて補正し、
   第（１０）工程では、前記第１γ線カウントを次式：Ａ
   ｃ＝Ａｗｄｐ−Ｋ＿７Ｂｗｄｐ（但し、Ａｃは最終的に
   補正された第１γ線カウントＫ＿７は前記第２γ線カウ
   ントと関連する補正定数である）に従つて補正する、こ
   とを特徴とする方法。 ７ さらに、各領域中のＵ−２３５の濃縮度を次式：Ａ
   ｅ＝Ｋ＿８Ａｃ＋Ｋ＿９ （但し、Ａｅは重量百分率で表わした領域中の平均濃縮
   度、Ｋ＿８およびＫ＿９は濃縮度校正定数である）に従
   つて求める工程を含む特許請求の範囲第６項記載の方法
   。 ８ さらに、各領域中のＵ−２３５の重量を次式：Ａｗ
   ｔ＝Ｋ＿１＿０ＡｅｄｍＬｚ（１−０．０１Ｐｗ）（１
   ０．９５−０．０３４Ｐｗ）＋Ｋ＿１＿１（但し、Ａｗ
   ｔは領域中のＵ−２３５の重量、ｄｍは理論密度に対す
   る百分率で表わした領域中の燃料の測定密度、Ｌｚは領
   域の長さ、Ｐｗは領域中のガドリニウムの重量百分率、
   Ｋ＿１＿０は変換定数、Ｋ＿１＿１は既知標準と比較し
   た測定時のバイアスに相当する定数、項０．０１は重量
   百分率を重量分数に変換する係数、項１０．９５は可燃
   性毒物なしの燃料ペレットの密度、項０．０３４は１％
   の可燃性毒物含量に基づくペレット密度の変化である）
   に従つて求める工程を含む特許請求の範囲第７項記載の
   方法。 ９ 前記領域の長さを前記燃料要素の長さに沿つてのガ
   ドリニウム含量の変化から求める特許請求の範囲第８項
   記載の方法。