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Application of CR-39 plastic nuclear track detectors for quality assurance of MOX fuel pellet

MOX燃料ペレットの品質評価のためのCR-39プラスチック飛跡検出器の適用

小平 聡*; 安田 仲宏*; 細金 達哉; 石川 文隆; 影山 十三男 ; 佐藤 光弘

Kodaira, Satoshi*; Yasuda, Nakahiro*; Hosogane, Tatsuya; Ishikawa, Fumitaka; Kageyama, Tomio; Sato, Mitsuhiro

プルサーマルは原子力発電における使用済みウラン核燃料の再利用のための一つの方法として期待されている。4-9%程度にプルトニウムを濃縮した酸化プルトニウムと使用済みウラン燃料からの酸化ウランを混合したMOX燃料は、核分裂反応を利用することで放射線同位元素の半減期を短縮することができる。MOXペレット中のプルトニウム分散性・均一性は、品質管理上重要な測定項目である。プルトニウム濃度が局所的に高い領域はしばしばペレット内にPuスポットとして観測され、異常燃焼の要因となり得る。Puスポットの検出とその大きさや濃度の評価は、MOXペレットを用いた原子力発電における安全利用のための重要な品質評価項目である。我々はCR-39プラスチック飛跡検出器をMOXペレット内のPuスポットの測定に適用した。CR-39はペレット内に存在するPuからの$$alpha$$粒子を記録することができ、オートラジオグラフィのようにMOXペレットの断層を画像化することができる。Puが均一に分散した領域に比べて、Puスポットでは$$alpha$$粒子による飛跡が濃集するために、視覚的に「黒点」として観察される。我々は、CR-39に記録されたPuスポットをフィルタリングやクラスタリング等の画像処理アルゴリズムを用いて自動検出・抽出する測定システムを開発した。検出効率は、従来の人の目で測定した場合と比較してほぼ100%を達成しており、Puスポットの数や大きさ、ペレット上での位置に関する情報を得ることができる。本システムはMOXペレットの品質評価における強力なスクリーニングツールとして期待される。

The plutonium-thermal use is expected as one of the approach for reuse of spent uranium fuel in nuclear power generation. On the other hand, many kinds of nuclides including Pu with extremely long half-lives are generated in the used fuels, which would be problems for storage and control of radioactive waste. The MOX (Mixed Oxide) consisting of plutonium dioxide enriched with 4-9% Pu and uranium oxide from spent uranium fuel would allow to reduce half-lives of radioactive waste significantly through the nuclear fission. The quality of MOX pellet depends on the homogeneous dispersion of Pu. The region of highly concentrated Pu is sometimes observed as "Pu spot" in the pellet, which has the potential of anomalous combustion localized at that region. The detection of Pu spot and evaluation of its size and concentration are one of the important quality assurance of MOX pellet for the safety use in the nuclear power plant. We have applied CR-39 plastic nuclear track detectors for the measurement of Pu spot inside MOX pellet. CR-39 can image a cross-section of MOX pellet by recording $$alpha$$-particle tracks from Pu in the pellet, like autoradiography. The Pu spot is visibly imaged as a "black spot" due to the dense $$alpha$$ tracks compared to homogeneously dispersed region. Conventionally, the Pu spot measurement has been carried out with manual scanning, which takes much longer times and huge amount of human work. We have developed the automatic detection and measurement system of Pu spot recorded on CR-39 by the image processing with filtering and clustering algorithms. The detection efficiency with CR-39 is achieved to be almost 100% compared with conventional manual scanning result. It provides more information about the number, size and position of Pu spot.

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