高線量照射済燃料の観察のための走査型電子顕微鏡の整備

Development of field emission SEM to observe high radioactive irradiated fuels

磯崎 美咲; 佐々木 新治  ; 前田 宏治  ; 勝山 幸三 

Isozaki, Misaki; Sasaki, Shinji; Maeda, Koji; Katsuyama, Kozo

高速炉で使用されるウラン-プルトニウム混合酸化物燃料(以下、MOX燃料)は、照射中のペレット径方向の急峻な温度勾配により中心空孔等の形成を伴う組織変化が生じ、ウランやプルトニウムといった元素の再分布が発生する。高速炉燃料の高性能化では、詳細な照射挙動として、燃料ペレット内の微細部の組織変化やウランやプルトニウムといった元素の再分布挙動を把握しておくことが必要不可欠である。そこで、高い分解能での照射済燃料の微細部の組織観察及び元素分析を行うため、エネルギー分散型X線分光器(EDS)及び波長分散型X線分光器(WDS)を取り付けた電界放射走査型電子顕微鏡(以下、FE-SEM)を、高速炉燃料集合体の照射後試験施設である照射燃料集合体試験施設(以下、FMF)に導入した。今回導入したFE-SEMで測定対象とする試料は、核燃料物質(ウラン, プルトニウム等)、核分裂生成物(セシウム, ロジウム等)、中性子照射による放射化物(コバルト, マンガン等)の放射性物質を含むため、その放射能が非常に高く、その取扱時には放射線による作業者の被ばくの低減と、放射性物質(特に法令上厳しい管理を求められる放出核種(ウラン, プルトニウム等))の漏えい防止を考慮する必要がある。このため、今回のFE-SEMの整備では、日本電子製のJSM-7001Fを基本機器とし、以下の改造を行った。(1)放射性物質からの放射線を遮蔽するためにFE-SEMの周辺にメンテナンス性を考慮した遮へい体を設置した。(2)放射性物質の漏えいを避けるために金相セルと装置間に試料移送機構を設置及び防振ダンパーの撤去と剛構造による固定をした。本報告書では、FE-SEMの概要と改造内容、導入整備手順、性能試験の結果について報告する。

During irradiation in the fast reactor "JOYO", the changes of fuel structures with the formation of central void occur in the uranium-plutonium mixed oxide fuels (MOX fuels) because of radial temperature gradient. The changes of element (U, Pu, and so on) distributions along radial direction proceed from these changes. Therefore, it is important to study the changes of fuel structures of the minute area in fuel pellet and the changes of element distribution behavior for development of fast reactor fuels. In order to make detailed observations of microstructure and elemental analyses of fuel samples, a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) equipped with a wavelength-dispersive X-ray spectrometer (WDS) and an energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS) were installed in Fuel Monitoring Facility (FMF). The samples of this FE-SEM are very high radioactivity because the samples contain the nuclear fuel elements (U, Pu, etc.), the fission products (Cs, Rh, etc.) and activation product (Co, Mn etc.). Owing to this, it is necessary to prevent leakage of radioactive materials (particularly, U, Pu is need tight accountancy in law) and to protect operators from radiation. In this installation of FE-SEM, it is selected JSM-7001F (made by JEOL) for base model. The notable modified points were as follows. (1) To protect operators from radiation, lead shields was installed around FE-SEM. (2) To prevent leakage of radioactive materials, the instrument was attached to a remote control air-tight sample transfer unit between a shielded hot cell and the FE-SEM and the instrument was fixing rigid structure without vibration damper. (3) The design and manufacture the lead shields with consideration of instrument maintainability. This paper was described the summary of FE-SEM, the notable modified points, the ways of FE-SEM installation, the result of performance test.