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Development of microwave sensor for measuring moisture in granulation process

造粒工程における水分測定用マイクロ波センサーの開発

中山 茂*; 川口 浩一; 瀬川 智臣; 山田 美一

Nakayama, Shigeru*; Kawaguchi, Koichi; Segawa, Tomoomi; Yamada, Yoshikazu

核燃料製造プロセスにおいて、臨界安全管理の理由で水分量は重要なパラメータである。将来の商業プラントを考慮すると、迅速で耐久性に優れた水分センサーが必要とされる。我々は物質中の水分を測定するための開口端同軸マイクロ波共振器センサーを開発してきた。このセンサーは半導体素子を持たないため、強い放射線場で使用できる。本論文では、結合剤として水を用いた造粒工程におけるMOX(UO$$_{2}$$+PuO$$_{2}$$)中の水分測定のための予備試験を行った。予備試験では、MOX造粒粉を模擬するために、MOXに近い比誘電率を持ち、顆粒内部に水を保持できる空隙を持つ三酸化タングステン(WO$$_{3}$$)造粒粉を用いた。マイクロ波による水分測定の原理は次の通りである。パイレックスビーカに入れたWO$$_{3}$$を共振器の開口端に置くと、WO$$_{3}$$と空気との誘電率の違いによる静電容量の変化によって共振周波数がシフトする。さらに、WO$$_{3}$$によるマイクロ波吸収によって共振曲線のピークが減衰する。それゆえ、周波数シフトまたは減衰のどちらを測定することによってもWO$$_{3}$$中の水分量を推定できる。これらはトラッキングジェネレータおよびスペクトルアナライザによって測定できる。

In the nuclear fuel fabrication process, moisture content is very important parameter because of criticality safety control. Considering future commercial nuclear fuel fabrication plant, rapid and durable moisture sensor is required. We have developed an open-ended semi-coaxial microwave sensor to measure moisture involved in a substance. This sensor has no semiconductor tips, so it can be used in strong radiation field. In this paper, we carry out a preliminary experiment for measuring moisture of MOX(UO$$_{2}$$+PuO$$_{2}$$) in granulation process, in which water is added as a binder. In our preliminary experiment, to simulate granulated MOX powder, granulated tungsten trioxide powder, which has similar dielectric constant to MOX and has voids to hold water inside, was used. The principle of microwave measurement of moisture is as follows. When the tungsten trioxide contained in a pyrex beaker is placed at the open end of the cavity, the resonant frequency is shifted by a variation in the end of capacitance which results from the difference in the dielectric constant of tungsten trioxide from that of air. Furthermore, the peak value of the resonance curve is attenuated by the absorption of microwave in the tungsten trioxide. Therefore, the moisture content of tungsten trioxide can be estimated by measuring either the frequency shift or attenuation. They are measured using a tracking generator and a spectrum analyzer. In our presentation, we will show the experimental results in detail.

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