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【発明の名称】 中性子発生装置
【発明者】 【氏名】日野 哲士

【氏名】石井 一弥

【氏名】青山 肇男
【要約】 【課題】熱中性子のエピサーマル中性子に対する割合が小さく、かつエピサーマル中性子の絶対量が大きくなるように中性子を発生すること。

【解決手段】減速材領域を、減速材よりも小さな減速能をもつ物質からなる反射体で取り囲み、中性子源を、減速材内で中性子照射方向の減速材長さ中央よりも、中性子照射向きと逆側寄りに配置する。エピサーマル中性子を利用した中性子非破壊検査装置において、検査時の熱中性子によるノイズを低減して検査の信頼性を高め、また検査時間を短くできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 中性子源と、前記中性子源を取り囲むように配置された減速材と、前記減速材を取り囲むとともに中性子照射方向の位置に開口部を持つ反射体とを備え、前記反射体は、前記減速材よりも減速能が小さい物質で構成され、前記中性子源は、前記減速材の中性子照射方向の長さの中央よりも中性子照射方向と反対側寄りに配置されていることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項２】 前記中性子源が中性子照射方向に線状に延び、前記中性子源の中性子照射方向の位置において、前記中性子源の長さ方向の中心が、前記減速材の中性子照射方向の長さの中央よりも中性子照射方向と反対側寄りに配置されている請求項１に記載の中性子発生装置。
【請求項３】 前記中性子源は、自発核分裂またはその他の核反応の少なくとも一方により中性子を放出する放射性同位元素である請求項１、または請求項２に記載の中性子発生装置。
【請求項４】 前記減速材は、水素、重水素、ベリリウムのうち少なくとも一つを構成元素とする物質を含む請求項１、または請求項２に記載の中性子発生装置。
【請求項５】 前記反射体は、遷移金属類、またはジルコニウムの少なくとも一つを構成元素とする物質を含む請求項１、または請求項２に記載の中性子発生装置。
【請求項６】 前記反射体は、中性子照射方向のみが開いている請求項１または請求項２に記載の中性子発生装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、中性子非破壊検査装置に用いる中性子発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】中性子非破壊検査方法は、被検査物に中性子を照射し、特定元素の中性子吸収による透過後の中性子束の減衰、または特定元素との核反応による放射線を測定することにより、被検査物内の前記特定元素の有無や量を評価する方法である。
【０００３】例えば、特開平５−２８８８８７号では、図２に示すように二硼化ジルコニウムで被覆した核燃料ペレット２０に、中性子源２１からの熱中性子２２を照射し、中性子捕獲ガンマ線２３をガンマ線検出器２４で測定し、核燃料ペレット被覆内の硼素10（以下10Ｂ）の個数密度を非破壊で測定する方法が示されている。ただし、ここで中性子捕獲ガンマ線は、(n,γ)反応によるガンマ線だけでなく、中性子吸収に起因する総ての放出ガンマ線を意味する。
【０００４】また、非破壊であるということは、中性子照射によって被検査物である核燃料ペレット２０の燃料被覆管が破壊されることはなく、10Ｂに関しても、検査においては1010個の硼素原子中１個以下の硼素原子しか失われないことを意味する。また、熱中性子とは、運動エネルギーがおおよそ1eV以下の中性子を指す。
【０００５】ここで、特開平５−２８８８８７号で示される非破壊検査方法では、図３に示すように10Ｂの熱中性子吸収断面積が非常に大きいことを利用している。
【０００６】前記方法においては、10Ｂの中性子捕獲ガンマ線を、計測時のノイズに対して統計的に有意な大きさで測定することが必要である。ここで計測時のノイズとは、被検査物の10Ｂ以外の構成元素による中性子捕獲ガンマ線や、検査装置周辺構造物からの放射線などである。
【０００７】このため、前記方法では、10Ｂの中性子吸収断面積が大きく、中性子捕獲ガンマ線を放出する確率の大きくなる熱中性子を被検査物に照射する。10Ｂ以外でも、一般に、中性子のエネルギーが小さいほど、物質の中性子吸収断面積は大きくなるため、中性子吸収反応を利用した非破壊検査方法においては、前述した理由により熱中性子が用いられる。
【０００８】このような非破壊検査で用いる熱中性子を得る方法としては、核分裂等で発生する、運動エネルギーが数MeV以上の中性子を、軽水、重水、パラフィン、グラファイトなど軽元素から構成される減速材中で弾性散乱などにより減速する方法が知られている。
【０００９】また、特開２０００−５６０９８号では、相対的に出力の小さい放射性同位元素、あるいは、電子式中性子発生装置を中性子源とした場合でも、必要な数の低エネルギー中性子が得られる低エネルギー中性子照射装置を示している。
【００１０】このために、前記低エネルギー中性子照射装置は、中性子源を取り囲み鉛またはベリリウムなど(n,2n)反応断面積の大きな物質からなる中性子増倍減速領域と、前記中性子増倍領域を取り囲み中性子照射方向のみが開いた照射容器から構成されている。なお、照射容器は水素化合物またはコンクリートなどの中性子吸収物質から構成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】前記特開平５−２８８８８７号のように、熱中性子を用いた中性子非破壊検査方法は、測定の対象である、照射中性子を吸収し核反応を起こす元素（以下中性子吸収元素）がある程度の個数密度で照射方向に対して薄く分布している場合のみ有効である。
【００１２】このような場合、照射された熱中性子の一部が吸収され、残りは吸収されずに透過し、その吸収割合は中性子吸収元素の密度と相関関係がある。ところが、中性子吸収元素がある程度以上の個数密度と厚みを持って分布する場合、照射された熱中性子は表面から多少深くまで入りこんだとしても結局中性子吸収元素により全て吸収されてしまい、その吸収割合は中性子吸収元素の密度に相関せず、前記中性子吸収元素の密度を測定することが不可能となる。
【００１３】このように、中性子吸収元素がある程度以上の個数密度と厚みを持ち、熱中性子を照射しても、熱中性子の吸収割合と中性子吸収元素の密度の相関が得られない場合、より高い運動エネルギーの中性子を照射することによって、中性子吸収割合と中性子吸収元素密度の相関を得ることができる。
【００１４】このことを、10Ｂの同位体組成比が20%と50%のＢ4Ｃ粉末をそれぞれステンレス管に封入したもの（以下それぞれ20%Ｂ4Ｃおよび50%Ｂ4Ｃ）に中性子を照射し、放出される10Ｂの中性子捕獲ガンマ線の計測数差から10Ｂの同位体組成比を識別するシステムを模擬した計算結果を用いて説明する。
【００１５】なお、硼素の安定同位体には10Ｂと硼素11（以下11Ｂ）が存在し、11Ｂはほとんど中性子を吸収しないが、10Ｂが中性子を吸収した場合、下記の反応によって中性子捕獲ガンマ線が観測されることは実験的に確かめられている。
【００１６】10Ｂ ＋ ｎ → 7Ｌｉ* ＋ 4Ｈｅ7Ｌｉ* → 7Ｌｉ ＋ ガンマ線上記反応式中ｎは中性子、7Ｌｉ*はリチウムの励起状態、4Ｈｅはヘリウム、7Ｌｉはリチウムの基底状態を表す。ガンマ線はリチウムの励起状態から基底状態への状態遷移の結果として放出される。
【００１７】図４は、照射中性子のエネルギーを0eV〜10MeVまで変化させたときの、20%Ｂ4Ｃと50%Ｂ4Ｃの中性子捕獲ガンマ線の計測数差を示したものである。図４から分かるように、熱中性子領域では、照射された中性子のほとんどが10Ｂによって吸収されてしまうため、10Ｂの中性子吸収割合と10Ｂの密度の相関が小さくなり、従って20%Ｂ4Ｃと50%Ｂ4Ｃから放出される中性子捕獲ガンマ線の計測数差が小さくなる。
【００１８】また、照射中性子のエネルギーが10keVよりも大きくなると、10Ｂの中性子吸収断面積が小さくなり、従って中性子捕獲ガンマ線の絶対数が小さくなるため、20%Ｂ4Ｃと50%Ｂ4Ｃの中性子捕獲ガンマ線の計測数差も小さくなる。
【００１９】これらのことから、Ｂ4Ｃ中の10Ｂの同位体組成比を中性子捕獲ガンマ線の計測数から識別するためには、照射中性子エネルギーを10〜100eVにすれば良い。
【００２０】なお、中性子の吸収割合は、厚さおよび密度などＢ4Ｃ粉末の封入条件や10Ｂの組成比によって異なるため、最適な照射中性子エネルギーは被検査物の構成や形状に依存するが、おおよそ1eV〜1keVの範囲である。
【００２１】また、検査対象物がＢ4Ｃ以外の場合など、すなわち中性子吸収元素が10Ｂ以外の元素である場合にも同様の方法が適用できる。以下では、運動エネルギーがこの範囲にある中性子をエピサーマル中性子と呼ぶ。
【００２２】自発核分裂性の放射性同位元素や、核融合反応あるいは(p,n)反応などを利用した中性子源から得られる中性子は、運動エネルギーが数MeV以上であり、非破壊検査では、これを前述したように軽元素から構成される減速材でエネルギーを減少させて利用する。
【００２３】中性子は、主として、減速材中の軽元素との弾性散乱によってエネルギーを失うが、失うエネルギーの大きさは、減速材中での弾性散乱の回数に依存する。この弾性散乱の回数は、中性子が減速材中を進む距離に依存し、従って減速材の厚さを変えることにより、減速後の中性子エネルギーをある程度変化させることができる。
【００２４】ところが、一回の弾性散乱で中性子が失うエネルギーは一定ではなく、ある幅を持って分布する。また、中性子は弾性散乱で進行方向をランダムに変えるため、減速材中を進む距離もランダムに変化し、従って弾性散乱の回数も変化する。
【００２５】仮に一定のエネルギーを持つ中性子を減速材に入射させても、減速後に得られる中性子のエネルギーは一定ではなく、分布を持ったものとなる。従って、エピサーマル中性子を得ようとしても、通常は熱中性子や、エピサーマル中性子よりもエネルギーの大きい高速中性子も同時に得られることになる。
【００２６】公知技術のように単に軽元素から構成される減速材を用いた場合の課題は、弾性散乱を繰り返した中性子は最終的に熱中性子となるため、減速材の厚さを変えただけでは、得られるエピサーマル中性子数が制限されることと、同時に得られる熱中性子の割合が多くなってしまうことである。
【００２７】エピサーマル中性子を利用する非破壊検査においては、図４で示したように、熱中性子の吸収割合は中性子吸収元素の密度に相関しないため、検査に無関係であり、加えて中性子捕獲ガンマ線計測時のノイズの原因などとなるので、できるだけ少ないほうが望ましい。
【００２８】本発明の目的は、できるだけ熱中性子のエピサーマル中性子に対する割合が小さく、かつエピサーマル中性子の絶対量が大きくなるような中性子発生装置を提供することである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】本発明の中性子発生装置は、中性子源と、前記中性子源を取り囲むように配置された減速材、および前記減速材を取り囲む反射体から構成され、前記反射体は前記減速材よりも減速能が小さい物質から構成され、前記中性子源は減速材の中性子照射方向長さ中央よりも照射向きと逆側寄りに配置されていることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態を示したもので、内部に中性子源であるカリフォルニウム252（以下252Ｃｆ）を配置した円筒形形状のステンレス製容器に重水を入れた減速材領域の周辺を、ニッケルから成る反射体３で取り囲んでいる。
【００３１】このとき、減速材領域の円筒形底面の一方は反射体３に覆われず、非破壊検査においては、反射体３に覆われていない方の減速材円筒形底面（以下照射面と呼ぶ）付近に被検査物を配置し中性子を照射する。中性子源は減速材円筒形径方向中心で、減速材長さ方向中央ｃよりも照射面と逆側の底面寄りに配置される。
【００３２】次に、本実施例の効果を示す。図５は、減速材領域の円筒形底面半径（以下減速材半径）を6cm、減速材領域の円筒形長さ（以下減速材長さＬ）を8cm、中性子源を照射面から5cmの位置に配置した場合に得られる中性子束を、反射体３をそれぞれニッケル、重水、軽水で構成した場合、および反射体を用いなかった場合について示したものである。
【００３３】なお、ニッケル反射体を用いた場合の10eV〜100eV中性子束を1としたときの相対値で表した。図５から、ニッケル反射体を用いることによって、0〜1eVの熱中性子割合が小さく、かつ10eV〜100eVおよび100eV〜1keVのエピサーマル中性子束が大きくなっていることが分かる。
【００３４】また、図６は、減速材長さを10cmにしたときに、中性子源の減速材長さ方向位置を変化させたときの中性子束を示したものである。図６から、減速材の長さ中心よりも、照射面と反対側の底面寄りに中性子源を配置した場合に、エピサーマル中性子束が大きくなっている。
【００３５】次に、中性子源を減速材の長さ中心よりも、照射面と反対側の底面寄りに配置することが、本発明の目的達成のために、必要な条件であることを示す。図７は、減速材長さを14cmにしたときに、中性子源の減速材長さ方向の位置を変化させたときの中性子束の変化を、減速材長さ10cmの場合と比較して示したものである。
【００３６】図７では、中性子源位置をそれぞれの減速材長さに対して相対的に表している。また、中性子束は、減速材長さが10cmで、中性子源位置を照射面から10cmとしたときの10eV〜100eV中性子束が1となるように規格化している。図７から、減速材長さを長くすると、エピサーマル中性子束が最大になる中性子源位置が照射面寄りに変化する。
【００３７】しかし、減速材長さを長くすると、エピサーマル中性子束の最大値はほとんど変化しないのに対し、同時に得られる熱中性子束は相対的に大きくなっている。すなわち、熱中性子のエピサーマル中性子に対する割合をできるだけ小さくするためには、エピサーマル中性子束が最大になる中性子源の位置が、減速材の長さ中心よりも、照射面と反対側の底面寄りになるような減速材長さにする必要があることを示している。
【００３８】以上の効果は次のように説明できる。中性子は一般に中性子源から等方的に放出され、また、仮に一方向に放出される場合でも、減速材中で弾性散乱を行うことにより、照射面方向とは異なる方向に進む場合がある。
【００３９】このような中性子を反射体によって照射面に向かわせることにより、照射面における中性子束を大きくすることができる。しかしながら、反対側領域が長くなるほど、例えば図１１に示すように、照射面と反対側の反射体によって反射され、照射面に到達する中性子が減速材中を進む距離Ａと、中性子源から直接照射面に到達する中性子が減速材中を進む距離Ｂの差が大きくなるように、照射面に到達する中性子が減速材中を進む距離のばらつきが大きくなる。
【００４０】従って照射面に到達する中性子のエネルギーのばらつきが大きくなる。これは、エピサーマル中性子を増やそうとすると、熱中性子も同時に増えてしまうことを意味する。
【００４１】このため、本発明のように、反対側領域を小さくし、中性子源と照射面の間の減速材領域で減速する中性子を多くすることで、中性子が減速材中を進む距離のばらつきを小さくし、中性子のエネルギーのばらつきを抑え、その結果エピサーマル中性子を効率良く発生することができるようになる。
【００４２】また、反射体が減速材と同程度以上の減速能を有する場合、中性子は反射体中で減速され、熱中性子となってしまうため、照射面でのエピサーマル中性子束を大きくすることはできない。ここで、減速能とは、一回の弾性散乱で中性子が失う平均エネルギーと散乱断面積の積である。
【００４３】従って、反射体は、減速能が減速材よりも小さく、中性子散乱断面積が大きく、かつ中性子吸収断面積が小さい物質から成ることが必要である。このことから、特開２０００−５６０９８のように、コンクリートまたは水素化合物などの中性子吸収物質からなる照射容器で減速材領域を囲んだ場合は、エピサーマル中性子を効果的に得ることが困難である。
【００４４】また、本実施例では反射体としてニッケルを用いたが、例えば、ニッケル、鉄、クロムなど、遷移金属の合金であるステンレスや、ジルコニウム合金であるジルカロイなどを用いることもできる。
【００４５】ところで、本実施例においては、10eV〜100eVの中性子束が最大になるような減速材形状を例に示したが、より高いエネルギーのエピサーマル中性子が必要である場合には、例えば100eV〜1keVの中性子束が最大になるように形状を決める。なお、10eV〜100eVや100eV〜1keVというエネルギー区分は便宜上のものであって、目的に合わせて最適なエネルギー区分を用いる。
【００４６】以上の実施例では、減速材として、重水素を多く含む重水を用いたが、例えば水素を多く含むポリエチレンや、ベリリウムを用いることもできる。減速材にポリエチレンを用いた場合で、減速材長さを2cmにしたときに、中性子源の減速材長さ方向の位置を変化させたときの中性子束の変化を、減速材長さ3cmの場合と比較したものを図８に示す。図８では、中性子源位置をそれぞれの減速材長さに対して相対的に表している。
【００４７】また、中性子束は、減速材長さが2cmで、中性子源位置を照射面から2cmとしたときの10eV〜100eV中性子束が1となるように規格化している。図８から、減速材をポリエチレンとした場合でも、減速材長さを長くすると、エピサーマル中性子束が最大になる中性子源位置が照射面寄りに変化するが、エピサーマル中性子束の最大値はあまり変化せず、同時に得られる熱中性子束だけが大きくなる。
【００４８】従って、熱中性子割合を小さくし、エピサーマル中性子束を大きくするためには、中性子源を減速材長さ中央よりも、照射面と反対側の底面寄りに配置することが必要である。ベリリウムを用いた場合についても同様に、減速材長さ10cmと14cmの場合の比較を図１２に示す。
【００４９】なお、減速材にポリエチレンを用いた場合は、熱中性子の割合が、減速材に重水を用いた場合に比べて大きくなるが、エピサーマル中性子の絶対量が大きくなることと、減速材領域を小さくできる利点がある。
【００５０】また、ベリリウムを用いた場合は、重水を用いた場合に比べて、得られるエピサーマル中性子束の絶対量はやや小さく、熱中性子の割合はやや大きくなるが、材料として扱いが容易であるという利点がある。
【００５１】以上の実施例においては、点状の中性子源を用いた場合を示した。これに対し、図９はワイヤ状の中性子源を用いた場合の実施例である。ワイヤ状中性子源は、減速材領域円筒形長さ方向に平行に、円筒形径方向中心で、ワイヤ状中性子源の中心が減速材領域円筒形長さ方向中心よりも照射面反対側底面寄りになるように配置する。
【００５２】また、以上においては、減速材領域のみを覆うように反射体を配置した例を示したが、被検査物に対する照射中性子を増やすために、被検査物が比較的小さい場合など、減速材領域と被検査物の一部または全部を覆うように反射体を配置することも考えられる。
【００５３】図１０は、原子炉制御棒などのように、被検査物が細長い棒状の場合に、反射体を被検査物の側面を取り巻くように配置した例である。このように反射体を配置することで、照射面から放出され、被検査物とは異なる方向に進む中性子を被検査物に向かわせることができ、照射中性子量を増やすことができる。
【００５４】なお、図１０に示したように、放射線検出器を配置する場合など、必要によっては、反射体の一部に被検査物側から反対側まで通ずる穴を設ける。また、被検査物が非常に小さい場合には、被検査物が減速材および反射体からなる閉じた空間内に配置されるような構成にすることで、より照射中性子量を増やすことができる。
【００５５】
【発明の効果】本発明の中性子発生装置は、熱中性子のエピサーマル中性子に対する割合を小さく、かつエピサーマル中性子の絶対量を大きいように中性子を発生する。
【００５６】これによって、中性子吸収元素が、熱中性子が透過できないほどの厚みと個数密度を持つように分布する物質で構成される被検査物に、エピサーマル中性子を照射して非破壊検査を行う場合において、検査時間を短く、かつ熱中性子による検査時のノイズを低減し、検査の信頼性を向上させることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１３年３月６日（２００１．３．６）
【代理人】 【識別番号】１０００６８５０４
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男 （外２名）
【公開番号】 特開２００２−２５７９９６（Ｐ２００２−２５７９９６Ａ）
【公開日】 平成１４年９月１１日（２００２．９．１１）
【出願番号】 特願２００１−６１５０３（Ｐ２００１−６１５０３）