特開 2025-94576 臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025094576

(43)【公開日】2025-06-25

(54)【発明の名称】臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法

(51)【国際特許分類】

   G21F 9/36 20060101AFI20250618BHJP

   G21F 5/06 20060101ALI20250618BHJP

【ＦＩ】

G21F9/36 511P

G21F9/36 501H

G21F5/06 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023210216

(22)【出願日】2023-12-13

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】吉原 有里

(72)【発明者】

【氏名】名雲 靖

(72)【発明者】

【氏名】上野 克宜

(72)【発明者】

【氏名】岩佐 淳司

(72)【発明者】

【氏名】小林 亮介

(57)【要約】

【課題】収納容器内の物質によらず、収納容器に収納された核燃料物質の臨界裕度を推定することができる臨界裕度推定装置を提供する。
【解決手段】本発明による臨界裕度推定装置は、収納容器１０１に収納された容器内物質１０２に関する状態を取得する容器状態取得部２０１と、容器内物質１０２に関する状態から、容器内物質１０２の物理的な情報を推定する物理情報推定部２０２と、容器内物質１０２の物理的な情報から収納容器１０１の実効増倍率を求めて、容器内物質１０２が臨界に達するまでの臨界裕度を推定する臨界裕度評価部２０３と、容器内物質１０２となり得る物質について、表面状態、組成、密度、及び形状を保存しているデータベース２１０を備える。容器内物質１０２に関する状態は、容器内物質１０２の表面状態、組成、密度、形状、及び高さを含む。容器内物質１０２の物理的な情報は、容器内平均高さと、ウランと水素の原子個数比である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

収納容器に収納された放射性廃棄物である容器内物質に関する状態を取得する容器状態取得部と、
前記容器状態取得部が取得した前記容器内物質に関する前記状態から、前記容器内物質の物理的な情報を推定する物理情報推定部と、
前記物理情報推定部が推定した前記容器内物質の前記物理的な情報から前記収納容器の実効増倍率を求めて、前記容器内物質が臨界に達するまでの余裕度である臨界裕度を前記実効増倍率から推定する臨界裕度評価部と、
前記容器内物質となり得る物質について、表面状態、組成、密度、及び形状を保存しているデータベースと、
を備え、
前記容器内物質に関する前記状態は、前記容器内物質の前記表面状態、前記組成、前記密度、前記形状、及び高さを含み、
前記容器内物質の前記物理的な情報は、前記収納容器に収容された状態における前記容器内物質の平均的な高さである容器内平均高さと、ウランと水素の原子個数比である、
ことを特徴とする臨界裕度推定装置。

【請求項2】

前記容器状態取得部は、表面測定装置を備え、
前記表面測定装置は、前記容器内物質の前記表面状態と、前記容器内物質の前記収納容器の最上部からの距離とを測定し、
前記容器状態取得部は、前記高さを前記距離から求め、
前記容器状態取得部は、前記組成と前記密度と前記形状を、前記表面測定装置を用いて取得した前記表面状態を用いて、前記データベースを参照して取得する、
請求項１に記載の臨界裕度推定装置。

【請求項3】

前記物理情報推定部は、前記容器状態取得部が取得した前記容器内物質の前記組成と前記密度と前記形状と前記高さを用いて、前記容器内平均高さと前記原子個数比を推定する、
請求項１に記載の臨界裕度推定装置。

【請求項4】

前記臨界裕度評価部は、前記物理情報推定部が推定した、前記容器内平均高さと前記原子個数比から、前記実効増倍率を求め、求めた前記実効増倍率と臨界を起こす実効増倍率の値との差分を前記臨界裕度とする、
請求項１に記載の臨界裕度推定装置。

【請求項5】

前記物理情報推定部は、前記容器状態取得部が取得した前記容器内物質の前記高さの、前記収納容器の底面に平行な面における二次元位置についての分布の平均値と標準偏差を用いて、前記容器内平均高さを推定する、
請求項３に記載の臨界裕度推定装置。

【請求項6】

前記臨界裕度評価部が求めた前記実効増倍率と前記臨界裕度を表示する臨界裕度表示部を備える、
請求項１に記載の臨界裕度推定装置。

【請求項7】

収納容器に収納された放射性廃棄物である容器内物質に関する状態を取得する容器状態取得ステップと、
前記容器状態取得ステップで取得した前記容器内物質に関する前記状態から、前記容器内物質の物理的な情報を推定する物理情報推定ステップと、
前記物理情報推定ステップで推定した前記容器内物質の前記物理的な情報から前記収納容器の実効増倍率を求めて、前記容器内物質が臨界に達するまでの余裕度である臨界裕度を前記実効増倍率から推定する臨界裕度評価ステップと、
を有し、
前記容器内物質に関する前記状態は、前記容器内物質の表面状態、組成、密度、形状、及び高さを含み、
前記容器内物質の前記物理的な情報は、前記収納容器に収容された状態における前記容器内物質の平均的な高さである容器内平均高さと、ウランと水素の原子個数比であり、
前記容器状態取得ステップでは、
前記容器内物質の前記表面状態と、前記容器内物質の前記収納容器の最上部からの距離とを表面測定装置で測定し、
前記高さを前記距離から求め、
前記組成と前記密度と前記形状を、前記表面測定装置で取得した前記表面状態を用いて、前記容器内物質となり得る物質について前記表面状態、前記組成、前記密度、及び前記形状を保存しているデータベースを参照して取得し、
前記物理情報推定ステップでは、前記容器状態取得ステップで取得した前記容器内物質の前記組成と前記密度と前記形状と前記高さを用いて、前記容器内平均高さと前記原子個数比を推定する、
ことを特徴とする臨界裕度推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、収納容器に収納された核燃料物質について、臨界に達するまでの余裕度である臨界裕度を推定する装置と方法に関する。

【背景技術】

【0002】

核燃料物質を含む放射性廃棄物は、収納容器に収納して、原子核分裂に関する臨界安全を確保しながら、安定に貯蔵する必要がある。核燃料物質を含む放射性廃棄物を収納した収納容器を適切に保持するための従来技術の例は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された、核燃料物質の収納用装置は、内部に収納容器を収容可能な領域を備えて上部が開口した外容器と、収納容器内の中性子計数率を計測する中性子検出器と、中性子検出器の計測結果に基づき、収納容器内が臨界となる可能性のある核燃料物質の量を求める演算部とを備え、収納容器の周囲の環境が変化した場合でも、収納した核燃料物質の未臨界を担保できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１４５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、中性子検出器が計測した収納容器内の中性子計数率に基づいて、収納容器内が臨界となる可能性のある核燃料物質の量を求める。収納容器の内部には、燃焼度が互いに異なる複数種類の核燃料物質が存在する場合や、中性子吸収材や水分等の非核燃料物質が混入している場合がある。従来の技術では、このような場合には、収納容器内が臨界となる可能性のある核燃料物質の量を求めることが簡単ではなく、収納容器に収納された核燃料物質の臨界裕度（臨界に達するまでの余裕度）を求めることが難しい。

【0005】

本発明の目的は、収納容器内の物質によらず、収納容器に収納された核燃料物質の臨界裕度を推定することができる臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による臨界裕度推定装置は、収納容器に収納された放射性廃棄物である容器内物質に関する状態を取得する容器状態取得部と、前記容器状態取得部が取得した前記容器内物質に関する前記状態から、前記容器内物質の物理的な情報を推定する物理情報推定部と、前記物理情報推定部が推定した前記容器内物質の前記物理的な情報から前記収納容器の実効増倍率を求めて、前記容器内物質が臨界に達するまでの余裕度である臨界裕度を前記実効増倍率から推定する臨界裕度評価部と、前記容器内物質となり得る物質について、表面状態、組成、密度、及び形状を保存しているデータベースを備える。前記容器内物質に関する前記状態は、前記容器内物質の前記表面状態、前記組成、前記密度、前記形状、及び高さを含む。前記容器内物質の前記物理的な情報は、前記収納容器に収容された状態における前記容器内物質の平均的な高さである容器内平均高さと、ウランと水素の原子個数比である。

【0007】

本発明による臨界裕度推定方法は、収納容器に収納された放射性廃棄物である容器内物質に関する状態を取得する容器状態取得ステップと、前記容器状態取得ステップで取得した前記容器内物質に関する前記状態から、前記容器内物質の物理的な情報を推定する物理情報推定ステップと、前記物理情報推定ステップで推定した前記容器内物質の前記物理的な情報から前記収納容器の実効増倍率を求めて、前記容器内物質が臨界に達するまでの余裕度である臨界裕度を前記実効増倍率から推定する臨界裕度評価ステップを有する。前記容器内物質に関する前記状態は、前記容器内物質の表面状態、組成、密度、形状、及び高さを含む。前記容器内物質の前記物理的な情報は、前記収納容器に収容された状態における前記容器内物質の平均的な高さである容器内平均高さと、ウランと水素の原子個数比である。前記容器状態取得ステップでは、前記容器内物質の前記表面状態と、前記容器内物質の前記収納容器の最上部からの距離とを表面測定装置で測定し、前記高さを前記距離から求め、前記組成と前記密度と前記形状を、前記表面測定装置で取得した前記表面状態を用いて、前記容器内物質となり得る物質について前記表面状態、前記組成、前記密度、及び前記形状を保存しているデータベースを参照して取得する。前記物理情報推定ステップでは、前記容器状態取得ステップで取得した前記容器内物質の前記組成と前記密度と前記形状と前記高さを用いて、前記容器内平均高さと前記原子個数比を推定する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によると、収納容器内の物質によらず、収納容器に収納された核燃料物質の臨界裕度を推定することができる臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】収納容器に収納された容器内物質の例を示す図であり、砂状の容器内物質を示す図である。

【図1B】収納容器に収納された容器内物質の例を示す図であり、塊状の容器内物質を示す図である。

【図1C】収納容器に収納された容器内物質の例を示す図であり、データベースに登録されている容器内物質を示す図である。

【図2】本発明の実施例１による臨界裕度推定装置の構成を示す図である。

【図3】実施例１による臨界裕度推定方法の手順を示すフローチャートである。

【図4】容器状態取得部が、収納容器に収納される放射性廃棄物を測定することで、容器内物質に関する状態を取得する例を示す図である。

【図5】容器状態取得部が、容器内物質を測定することで、容器内物質に関する状態を取得する例を示す図である。

【図6】容器状態取得部が取得する、容器内物質の高さｈの分布を示す図である。

【図7】物理情報推定部が、容器内平均高さｚを推定する手順を示すフローチャートである。

【図8】容器内物質の中に存在する非核燃料物質の例を示す図である。

【図9】物理情報推定部が、ウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕを推定する手順を示すフローチャートである。

【図10】臨界裕度評価部が、実効増倍率を求めて臨界裕度を推定する手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書において、核燃料物質の臨界に達するまでの余裕度のことを臨界裕度と呼ぶ。臨界裕度は、核燃料物質を含む放射性廃棄物を収納した収納容器の実効増倍率ｋｅｆｆと、臨界を起こす実効増倍率の値（＝１）との差分で表される。

【0011】

以下、本発明の実施例による臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法を、図面を参照して説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一の又は対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

【実施例0012】

本発明の実施例１による臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法を説明する。本実施例では、収納容器に収納された核燃料物質の臨界裕度を推定する装置と方法の例を説明する。核燃料物質は、収納容器に収納された放射性廃棄物に含まれているとする。

【0013】

以下の説明では、収納容器に収納されている放射性廃棄物のことを、容器内物質とも呼ぶ。容器内物質は、通常、複数種類の物質（例えば、二酸化ウランと鉄）からなる混合物である。

【0014】

図１Ａから図１Ｃは、収納容器１０１に収納された容器内物質１０２の例を示す図である。

【0015】

図１Ａには、砂状（又は粉末状）の容器内物質１０２ａを示している。砂状の容器内物質１０２ａは、個々の輪郭を目視で認識できない容器内物質である。

【0016】

図１Ｂには、塊状の容器内物質１０２ｂを示している。塊状の容器内物質１０２ｂは、個々の輪郭を目視で認識できる容器内物質である。

【0017】

図１Ｃには、図２に示すデータベース２１０に登録されている容器内物質１０２ｃを示している。データベース２１０に登録されている容器内物質１０２ｃは、例えば原子力施設内の構造物（例えば配管や柱など）からなる放射性廃棄物である。このような放射性廃棄物は、形状、大きさ、及び材料などが分かっており、データベース２１０に予め登録することができる。なお、データベース２１０に登録されている容器内物質１０２ｃは、個々の輪郭を目視で認識できる容器内物質（塊状の容器内物質）である。

【0018】

収納容器１０１は、任意の放射性廃棄物を収納する容器であり、例えば図１Ａから図１Ｃに示す容器内物質１０２（１０２ａ～１０２ｃ）を収納することができる。収納容器１０１の形状は、任意であり、例えば円筒形や角筒形である。本実施例では、主に、収納容器１０１が円筒形であるとして説明する。

【0019】

収納容器１０１には、容器内物質１０２として、核燃料物質を含む放射性廃棄物だけでなく、核燃料物質を含まない放射性廃棄物が収納されることがある。本実施例では、容器内物質１０２は、核燃料物質であるウランを含む放射性廃棄物であるとする。

【0020】

図２は、本実施例による臨界裕度推定装置の構成を示す図である。

【0021】

本実施例による臨界裕度推定装置は、容器状態取得部２０１と、物理情報推定部２０２と、臨界裕度評価部２０３と、臨界裕度表示部２０４と、データベース２１０と、入力部２１１を備える。

【0022】

容器状態取得部２０１は、容器内物質１０２に関する状態を取得する。容器内物質１０２に関する状態とは、容器内物質１０２の特徴についての情報のことであり、例えば、容器内物質１０２の表面状態、組成ｃ、密度ρ、形状ｓ、高さｈ、体積、及び質量Ｍを含む。

【0023】

表面状態とは、物質の表面の形状（例えば凹凸の大きさ）や色のことである。組成ｃとは、混合物である容器内物質１０２に含まれている物質の混合割合のことであり、例えば、二酸化ウランが８０％で鉄が２０％と表される。形状ｓは、容器内物質１０２が砂状であるか（図１Ａの容器内物質１０２ａ）、塊状であるか（図１Ｂの容器内物質１０２ｂ）を示す。高さｈとは、収納容器１０１に収容された状態における容器内物質１０２の高さ（収納容器１０１の底面から容器内物質１０２の上部までの距離）のことである。

【0024】

物理情報推定部２０２は、容器状態取得部２０１が取得した容器内物質１０２に関する状態から、容器内物質１０２の物理的な情報を推定する。容器内物質１０２の物理的な情報とは、例えば、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを算出するために必要な値であり、容器内平均高さｚとウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕである。容器内平均高さｚとは、収納容器１０１に収容された状態における容器内物質１０２の平均的な高さ（収納容器１０１の底面からの容器内物質１０２の平均的な高さ）のことである。

【0025】

臨界裕度評価部２０３は、物理情報推定部２０２が推定した容器内物質１０２の物理的な情報から、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを求めて臨界裕度を推定する。臨界裕度は、核燃料物質が臨界に達するまでの余裕度のことであり、本実施例では、容器内物質１０２が臨界に達するまでの余裕度である。

【0026】

臨界裕度表示部２０４は、臨界裕度評価部２０３が求めた実効増倍率ｋｅｆｆと臨界裕度を表示する。臨界裕度表示部２０４は、さらに、物理情報推定部２０２が推定した容器内平均高さｚとウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕと、容器状態取得部２０１が取得した容器内物質１０２の表面状態、組成ｃ、密度ρ、形状ｓ、高さｈ、体積、及び質量Ｍを表示する。

【0027】

データベース２１０は、容器状態取得部２０１と物理情報推定部２０２と臨界裕度評価部２０３が必要とする情報を保存する。例えば、データベース２１０は、収納容器１０１内に収納される可能性がある物質（容器内物質１０２となり得る物質）について、表面状態、組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓ等の情報を物質情報として予め保存している。組成ｃは、例えば質量分析器などで分析して得ることができる。密度ρは、例えばＸ線源とＸ線検出器などで測定して得ることができる。なお、データベース２１０に登録されている形状ｓは、全て塊状であるとする。

【0028】

データベース２１０には、過去に収納容器１０１に収容された放射性廃棄物（容器内物質１０２）についての物質情報も保存されている。

【0029】

入力部２１１は、データベース２１０に情報を登録するための装置である。入力部２１１は、ユーザに操作され、例えば、容器内物質１０２となり得る物質についての物質情報を、予めデータベース２１０に登録する。

【0030】

ユーザは、入力部２１１を操作して、容器内物質１０２となり得る物質について、表面状態と、組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓとを対応させて、物質情報としてデータベース２１０に登録することができる。例えば、原子力施設内の構造物（例えば配管や柱など）は、表面状態、組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓが分かっているので、表面状態に、組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓを対応させて、データベース２１０に登録することができる。

【0031】

したがって、データベース２１０に登録された物質情報を用いると、物質の表面状態を特定すれば、この表面状態に対応する組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓを取得することができる。例えば、原子力施設内の構造物が容器内物質１０２であれば、データベース２１０に登録された物質情報を用いて、容器内物質１０２の表面状態から、容器内物質１０２の組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓを推定することができる。

【0032】

容器状態取得部２０１は、ユーザがデータベース２１０に登録した物質情報を、データベース２１０から取得することができる。例えば、容器状態取得部２０１は、容器内物質１０２に関する状態として取得した容器内物質１０２の表面状態が、データベース２１０に登録された物質情報に含まれている場合には、取得した表面状態に対応してデータベース２１０に登録されている組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓを、この容器内物質１０２の組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓとみなすことができる。

【0033】

図３は、本実施例による臨界裕度推定方法の手順を示すフローチャートである。

【0034】

ステップ３０１は、容器状態取得部２０１が、容器内物質１０２に関する状態を取得するステップである。

【0035】

ステップ３０２は、物理情報推定部２０２が、容器内物質１０２に関する状態から、容器内物質１０２の物理的な情報を推定するステップである。

【0036】

ステップ３０３は、臨界裕度評価部２０３が、容器内物質１０２の物理的な情報から、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを求めて臨界裕度を推定するステップである。

【0037】

図４から図６を参照して、容器状態取得部２０１を説明する。

【0038】

容器状態取得部２０１は、核燃料物質を含む放射性廃棄物４０３が収納容器１０１に収納される際と収納された後に、この放射性廃棄物４０３（すなわち、容器内物質１０２）を表面測定装置４０１で測定して、容器内物質１０２に関する状態を取得することができる。

【0039】

図４は、容器状態取得部２０１が、収納容器１０１に収納される放射性廃棄物４０３を測定することで、容器内物質１０２に関する状態を取得する例を示す図である。

【0040】

容器状態取得部２０１は、表面測定装置４０１を備える。表面測定装置４０１は、例えば、光学カメラや点群センサなどで構成することができる。表面測定装置４０１は、収納容器１０１に収納される放射性廃棄物４０３を撮像したり計測したりすることで、この放射性廃棄物４０３に関する状態、例えば表面状態と体積を測定することができる。

【0041】

放射性廃棄物４０３は、例えば遠隔操作マニピュレータ４０２で把持されて、収納容器１０１に収納される。なお、放射性廃棄物４０３は、遠隔操作マニピュレータ４０２以外の装置によって、例えば吸引装置で吸引されて、収納容器１０１に収納されてもよい。

【0042】

表面測定装置４０１は、遠隔操作マニピュレータ４０２が放射性廃棄物４０３を把持する位置、又は遠隔操作マニピュレータ４０２が放射性廃棄物４０３を収納容器１０１に収納する位置に設置されている。表面測定装置４０１は、放射性廃棄物４０３が遠隔操作マニピュレータ４０２によって把持されるとき又は収納容器１０１に収納されるときに、放射性廃棄物４０３の表面状態と体積を測定する。

【0043】

容器状態取得部２０１は、表面測定装置４０１が測定した放射性廃棄物４０３の表面状態と体積を、容器内物質１０２に関する状態として取得する。

【0044】

図５は、容器状態取得部２０１が、収納容器１０１に収納された放射性廃棄物４０３である容器内物質１０２を測定することで、容器内物質１０２に関する状態を取得する例を示す図である。

【0045】

表面測定装置４０１は、収納容器１０１の上方に設置されており、収納容器１０１に収納された容器内物質１０２の表面状態と体積を測定する。また、表面測定装置４０１は、容器内物質１０２について、収納容器１０１の最上部からの距離ｄを測定する。

【0046】

容器状態取得部２０１は、表面測定装置４０１を用いて、容器内物質１０２に関する状態、例えば表面状態と体積を取得することができる。さらに、容器状態取得部２０１は、表面測定装置４０１を用いて、容器内物質１０２の収納容器１０１の最上部からの距離ｄを取得することができる。

【0047】

また、容器状態取得部２０１は、収納容器１０１に設置された質量計５０４を備えることができる。質量計５０４は、容器内物質１０２の質量Ｍを測定する。容器状態取得部２０１は、質量計５０４を用いて、容器内物質１０２の質量Ｍを取得することができる。

【0048】

また、容器状態取得部２０１は、収納容器１０１を互いに挟んで設置されたＸ線源５０２とＸ線検出器５０３を備えることができる。Ｘ線源５０２とＸ線検出器５０３は、容器内物質１０２の密度ρを単方向又は複数方向から測定する。容器状態取得部２０１は、Ｘ線源５０２とＸ線検出器５０３を用いて、容器内物質１０２の密度ρの分布（密度分布）を取得することができる。

【0049】

以下の説明では、収納容器１０１の底面に平行な面における二次元位置を、座標（ｘ，ｙ）で表す。容器状態取得部２０１は、収納容器１０１の二次元位置（ｘ，ｙ）について、容器内物質１０２に関する状態の分布を求めることができる。

【0050】

図６は、容器状態取得部２０１が取得する、容器内物質１０２の高さｈの分布を示す図である。

【0051】

容器内物質１０２の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）は、容器状態取得部２０１が取得した距離ｄの分布ｄ（ｘ，ｙ）と、収納容器１０１の高さＨ（最上部から底面までの距離）を用いて、
ｈ（ｘ，ｙ）＝Ｈ－ｄ（ｘ，ｙ） （１）
と表される。

【0052】

容器内物質１０２の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）が二次元位置（ｘ，ｙ）について一定であるとみなせる場合には、分布ｈ（ｘ，ｙ）は、容器状態取得部２０１が取得した容器内物質１０２の全体積Ｖ（収納容器１０１に収納された全ての容器内物質１０２の合計の体積）と、収納容器１０１の内径Ｒを用いて、
ｈ（ｘ，ｙ）＝Ｖ／｛π（Ｒ／２）^２｝ （２）
と表すことができる。

【0053】

容器状態取得部２０１は、式（１）又は式（２）によって、容器内物質１０２の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）を取得する。

【0054】

容器状態取得部２０１は、容器内物質１０２の組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）と密度ρの分布ρ（ｘ，ｙ）と形状ｓの分布ｓ（ｘ，ｙ）を、表面測定装置４０１を用いて取得した容器内物質１０２の表面状態を用いて、データベース２１０を参照して取得する。すなわち、容器状態取得部２０１は、収納容器１０１の二次元位置（ｘ，ｙ）ごとに、容器内物質１０２の表面状態に対応する組成ｃ、密度ρ、及び形状ｓを、データベース２１０に登録された物質情報を用いて取得する。

【0055】

密度ρの分布ρ（ｘ，ｙ）は、Ｘ線源５０２とＸ線検出器５０３を用いて取得しなくても、データベース２１０を参照することで取得することができる。本実施例では、密度ρの分布ρ（ｘ，ｙ）を、データベース２１０を参照することで取得するものとする。

【0056】

容器状態取得部２０１は、表面測定装置４０１を用いて取得した容器内物質１０２の表面状態がデータベース２１０に登録されていない場合には、容器内物質１０２の密度ρの分布ρ（ｘ，ｙ）を、Ｘ線源５０２とＸ線検出器５０３を用いて取得した分布ρ（ｘ，ｙ）とする。又は、容器状態取得部２０１は、収納容器１０１の二次元位置（ｘ，ｙ）について容器内物質１０２の密度ρが一定であると仮定し、質量計５０４で測定した容器内物質１０２の質量Ｍからデータベース２１０に登録した容器内物質１０２の質量Ｍ’（すなわち、既に収納容器１０１に収納した放射性廃棄物の質量Ｍ’）を除いた値（Ｍ－Ｍ’）と、容器内物質１０２の全体積Ｖからデータベース２１０に登録した容器内物質１０２の体積Ｖ’を除いた値（Ｖ－Ｖ’）を用いて、式（３）によって容器内物質１０２の密度ρの分布ρ（ｘ，ｙ）を求める。
ρ（ｘ，ｙ）＝（Ｍ－Ｍ’）／（Ｖ－Ｖ’） （３）
式（３）は、質量と体積が不明な物質の密度ρ（分布が一定の密度）を表している。

【0057】

そして、容器状態取得部２０１は、表面測定装置４０１を用いて取得した容器内物質１０２の表面状態がデータベース２１０に登録されていない場合には、容器内物質１０２の組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）と形状ｓの分布ｓ（ｘ，ｙ）を不明とする。

【0058】

図７から図９を参照して、物理情報推定部２０２を説明する。

【0059】

物理情報推定部２０２は、容器状態取得部２０１が取得した容器内物質１０２の組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）と、密度ρの分布ρ（ｘ，ｙ）と、形状ｓの分布ｓ（ｘ，ｙ）と、高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）から、容器内平均高さｚとウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕを推定する。容器内平均高さｚとウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕは、容器内物質１０２の物理的な情報であり、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを算出するために必要な値である。

【0060】

図７は、物理情報推定部２０２が、容器内平均高さｚを推定する手順を示すフローチャートである。

【0061】

ステップ７０１で、物理情報推定部２０２は、容器内平均高さｚの推定を開始する。

【0062】

ステップ７０２で、物理情報推定部２０２は、組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）を用いて、容器内物質１０２の中にデータベース２１０に登録された非核燃料物質が存在するか否かを判定する。なお、組成ｃが不明な物質、すなわちデータベース２１０に登録されていない容器内物質１０２は、核燃料物質とみなす（図９のステップ９０２を参照）。

【0063】

ステップ７０３で、物理情報推定部２０２は、容器内物質１０２の中にデータベース２１０に登録された非核燃料物質が存在する場合には、この非核燃料物質の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）を、容器状態取得部２０１が取得した高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）から差し引いて、容器内物質１０２の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）を求め直す。容器状態取得部２０１が取得した高さｈには、非核燃料物質の高さｈも含まれている。非核燃料物質の高さｈは、実効増倍率ｋｅｆｆを算出するのに不要であるので、容器状態取得部２０１が取得した高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）から取り除く。

【0064】

ステップ７０４で、物理情報推定部２０２は、高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）のばらつきを評価するために、分布ｈ（ｘ，ｙ）の平均値ｚμと標準偏差ｚσを算出する。高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）のばらつきは、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを算出するときの誤差の要因となる。

【0065】

ステップ７０５で、物理情報推定部２０２は、容器内平均高さｚを算出する。物理情報推定部２０２は、高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）の標準偏差ｚσが予め任意に定めた閾値以下の場合には、分布ｈ（ｘ，ｙ）の平均値ｚμを容器内平均高さｚとする。また、物理情報推定部２０２は、高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）の標準偏差ｚσが上記の閾値より大きい場合には、分布ｈ（ｘ，ｙ）の平均値ｚμと標準偏差ｚσとの和（ｚμ＋ｋｚσ）を容器内平均高さｚとする。但し、ｋは、１以上の整数（ｋ＝１，２，３，．．）であり、求めた実効増倍率ｋｅｆｆの誤差が許容範囲に収まるようにユーザが指定した値である。

【0066】

ステップ７０６で、物理情報推定部２０２は、容器内平均高さｚの推定を終了する。

【0067】

図８は、容器内物質１０２の中に存在する非核燃料物質８０１の例を示す図である。図８には、一例として、非核燃料物質８０１が原子力施設内の構造物（例えば配管）である例を示している。このような非核燃料物質８０１は、データベース２１０に登録されている容器内物質１０２である。

【0068】

容器状態取得部２０１が取得した高さｈは、非核燃料物質の高さｈ１を含めた高さｈである。非核燃料物質の高さｈ１は、実効増倍率ｋｅｆｆを算出するのに不要である。このため、物理情報推定部２０２は、図７に示したフローチャートのステップ７０３で、容器内物質１０２の中にデータベース２１０に登録された非核燃料物質８０１が存在する場合（すなわち、容器内物質１０２がデータベース２１０に登録された非核燃料物質８０１を含む場合）に、この非核燃料物質の高さｈ１の分布ｈ１（ｘ，ｙ）を、容器状態取得部２０１が取得した高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）から差し引いて、容器内物質１０２の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）を求め直す。

【0069】

本実施例では、非核燃料物質８０１が配管であり、非核燃料物質８０１が容器内物質１０２の上に載っているとする。配管である非核燃料物質８０１は、直径ｒが既知であり、表面状態とともに直径ｒがデータベース２１０に登録されているとする。本実施例では、非核燃料物質の高さｈ１の分布ｈ１（ｘ，ｙ）を、収納容器１０１の二次元位置（ｘ，ｙ）について一定であると仮定し、配管である非核燃料物質８０１の直径ｒに等しい（ｈ１（ｘ，ｙ）＝ｒ）と近似して扱う。

【0070】

物理情報推定部２０２は、容器内物質１０２の中にデータベース２１０に登録された非核燃料物質８０１が存在する場合で、非核燃料物質８０１が容器内物質１０２の上に載っている場合には、式（４）によって容器内物質１０２の高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）を求め直す。
ｈ（ｘ，ｙ）＝Ｈ－ｄ（ｘ，ｙ）－ｒ （４）
式（４）において、前述したように、Ｈは、収納容器１０１の高さ（最上部から底面までの距離）であり、ｄ（ｘ，ｙ）は、容器状態取得部２０１が取得した距離ｄの分布ｄ（ｘ，ｙ）である。

【0071】

式（４）で得られる分布ｈ（ｘ，ｙ）は、式（１）を参照すると、非核燃料物質の高さｈ１の分布ｈ１（ｘ，ｙ）（＝ｒ）を、容器状態取得部２０１が取得した高さｈの分布ｈ（ｘ，ｙ）から差し引いたものである。

【0072】

図９は、物理情報推定部２０２が、ウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕを推定する手順を示すフローチャートである。

【0073】

ステップ９０１で、物理情報推定部２０２は、ウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕの推定を開始する。

【0074】

ステップ９０２で、物理情報推定部２０２は、組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）が不明な物質を核燃料物質と仮定する。

【0075】

ステップ９０２で、物理情報推定部２０２は、形状ｓの分布ｓ（ｘ，ｙ）を参照し、容器内物質１０２において水と水以外の物質が識別できるか否かを判断する。物理情報推定部２０２は、形状ｓの分布ｓ（ｘ，ｙ）が不明である場合と砂状である場合（図１Ａ）には、容器内物質１０２において水と水以外の物質が識別できないと判断する。

【0076】

ステップ９０４で、物理情報推定部２０２は、容器内物質１０２において水と水以外の物質が識別できる場合には、組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）を用いて、水と核燃料物質のおおまかな体積比を算出する。

【0077】

物理情報推定部２０２は、組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）により、容器内物質１０２に含まれている物質（核燃料物質を含む）の、収納容器１０１の二次元位置（ｘ，ｙ）における分布を求めることができる。物理情報推定部２０２は、組成ｃの分布ｃ（ｘ，ｙ）と、表面測定装置４０１（例えば、光学カメラ）が撮像した容器内物質１０２の画像から、収納容器１０１の水面の位置と核燃料物質の大きさを求める。次に、物理情報推定部２０２は、求めたこれらのデータと収納容器１０１の形状や大きさを用いて、水と核燃料物質のおおまかな体積比を算出する。

【0078】

そして、物理情報推定部２０２は、アボガドロ定数を用いて、算出した水と核燃料物質の体積比からウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕを算出する。ウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕは、収納容器１０１の全体における原子個数比である。

【0079】

ステップ９０５で、物理情報推定部２０２は、ウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕの推定を終了する。ステップ９０３で水と水以外の物質が識別できない場合には、物理情報推定部２０２は、そのままウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕの推定を終了する。

【0080】

図１０を参照して、臨界裕度評価部２０３を説明する。

【0081】

臨界裕度評価部２０３は、物理情報推定部２０２が推定した、容器内平均高さｚとウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕから、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを求める。そして、臨界裕度評価部２０３は、実効増倍率ｋｅｆｆから臨界裕度を推定する。

【0082】

図１０は、臨界裕度評価部２０３が、実効増倍率ｋｅｆｆを求めて臨界裕度を推定する手順を示すフローチャートである。

【0083】

ステップ１００１で、臨界裕度評価部２０３は、臨界裕度の推定を開始する。

【0084】

ステップ１００２で、臨界裕度評価部２０３は、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを求める。臨界裕度評価部２０３は、公知の方法に従って、実効増倍率ｋｅｆｆを求める。すなわち、臨界裕度評価部２０３は、物理情報推定部２０２が推定した容器内平均高さｚとウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕと、以下に示す公知の式（５）又は式（６）を用いて、実効増倍率ｋｅｆｆを求める。

【0085】

ステップ１００３で、臨界裕度評価部２０３は、臨界裕度を推定する。臨界裕度評価部２０３は、求めた実効増倍率ｋｅｆｆと、臨界を起こす実効増倍率の値（＝１）との差分を求め、この差分を臨界裕度と推定する。

【0086】

ステップ１００４で、臨界裕度評価部２０３は、臨界裕度の推定を終了する。

【0087】

ステップ１００２で、臨界裕度評価部２０３は、収納容器１０１の形状が円筒形の場合には式（５）を用いて、収納容器１０１の形状が角筒形の場合には式（６）を用いて、それぞれ実効増倍率ｋｅｆｆを求める。
ｋｅｆｆ＝νΣｆ／｛Σａ＋Ｄ（２．４０５／Ｒ）^２＋（π／ｚ）^２｝ （５）
ｋｅｆｆ＝νΣｆ／［Σａ＋Ｄ｛（π／ｘ）^２＋（π／ｙ）^２＋（π／ｚ）^２｝］ （６）
式（５）、（６）において、νは１回の核分裂で放出される平均中性子数、Σｆは核分裂断面積、Σａは全吸収断面積、Ｄは拡散係数、Ｒは収納容器１０１の内径、ｚは容器内平均高さである。式（６）において、ｘ、ｙ、ｚは、収納容器１０１の内側における、互いに直交する３辺の長さ（幅、奥行き、高さ）である。

【0088】

１回の核分裂で放出される平均中性子数νと、核分裂断面積Σｆと、全吸収断面積Σａと、拡散係数Ｄは、ウランと水素の原子個数比Ｈ／Ｕに依存する値である。臨界裕度評価部２０３は、これらの値を、物理情報推定部２０２が算出した比Ｈ／Ｕを用いて粒子輸送シミュレーションにより算出する。物理情報推定部２０２が比Ｈ／Ｕを算出できなかった場合（物理情報推定部２０２が図９のステップ９０４を実行しなかった場合）には、臨界裕度評価部２０３は、比Ｈ／Ｕに最も保守的な値（すなわち、ウランの核分裂が最も起こりやすい値）を設定し、この比Ｈ／Ｕを用いて粒子輸送シミュレーションを行う。

【0089】

ステップ１００２で、臨界裕度評価部２０３は、容器内物質１０２の組成ｃが全て核燃料物質（ウラン）であると仮定して、実効増倍率ｋｅｆｆを求める。

【0090】

また、臨界裕度評価部２０３は、ステップ１００２で、式（５）又は式（６）を用いずに、粒子輸送シミュレーションを実行して実効増倍率ｋｅｆｆを求めてもよい。臨界裕度評価部２０３は、粒子輸送シミュレーションを行うことにより、物理情報推定部２０２が比Ｈ／Ｕを推定できない場合にも、実効増倍率ｋｅｆｆを求めて臨界裕度を評価することができる。

【0091】

本実施例による臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法では、容器状態取得部２０１は、容器内物質１０２（放射性廃棄物）の表面状態を取得し、データベース２１０を参照してこの表面状態を用いて容器内物質１０２の組成ｃと密度ρと形状ｓについての情報を取得する。これにより、容器内物質１０２の組成ｃが不明であっても、元素分析などの破壊分析を実施せずに容器内物質１０２についての情報を取得することができ、容器内物質１０２の臨界裕度を推定することができる。

【0092】

本実施例による臨界裕度推定装置と臨界裕度推定方法によると、収納容器１０１に収納された核燃料物質の燃焼度が異なる場合や、中性子吸収材や水分等の非核燃料物質が収納容器１０１に混入している場合でも、臨界裕度を推定することができる。本実施例では、臨界裕度を推定することで、収納容器１０１に収納された核燃料物質の臨界を適切に管理することができるため、以下の効果も得られる。１つ目の効果は、収納容器１０１に核燃料物質をできるだけ多く収納することができるので、必要な収納容器１０１の数を削減できて、収納容器１０１を保管するコストを削減できることである。２つ目の効果は、収納容器１０１の内部を乾燥させる等の実効増倍率ｋｅｆｆを低下させる前処理を行う場合には、収納容器１０１の実効増倍率ｋｅｆｆを適正に評価することで前処理に要求される条件を緩和でき、前処理に要する時間を事前の想定より短縮できることである。３つの目の効果は、収納容器１０１同士の距離を事前の想定より小さくして収納容器１０１を保管することができるため、収納容器１０１を保管するスペースを節約できることである。

【0093】

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0094】

１０１…収納容器、１０２…容器内物質、１０２ａ…砂状の容器内物質、１０２ｂ…塊状の容器内物質、１０２ｃ…データベースに登録されている容器内物質、２０１…容器状態取得部、２０２…物理情報推定部、２０３…臨界裕度評価部、２０４…臨界裕度表示部、２１０…データベース、２１１…入力部、４０１…表面測定装置、４０２…遠隔操作マニピュレータ、４０３…放射性廃棄物、５０２…Ｘ線源、５０３…Ｘ線検出器、５０４…質量計、８０１…非核燃料物質。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】