0平成28年度補正予算
廃炉・汚染水対策事業費補助金
燃料デブリ・炉内構造物取り出しの基盤技術開発事業

小型中性子検出器の開発
フェーズ２ 最終報告会
2018年9月25日
技術研究組合 国際廃炉研究開発機構（ＩＲＩＤ）
日立GEニュークリア・エナジー（株）
無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning

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1

目次

１．研究の背景・目的
1-1 本研究が必要な理由
1-2 本研究の成果の適用先
1-3 研究の目標
２．実施項目とその関連、他研究との関連
2-1 本研究の実施項目、実施項目間の関係性
2-2 他研究との関係性
３．実施スケジュール
４．実施体制図
５．実施内容5-1 小型中性検出器の1Fの適用性評価（フェーズ1）結果
5-2 センサ設計および製作 (フェーズ２：トライアルステージ)
5-3 センサユニットの試作および評価 (フェーズ２：プロトタイプステージ)
5-4 実機適用時の課題検討
5-5 目標に照らした達成度
６． まとめ無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning

１．研究の背景・目的
1-1 本研究が必要な理由•

2

燃料デブリはRPVやPCV底部に存在していると考えられているが、その分布は測定でき

ていない。
•

燃料デブリの分布を把握するために、ガンマ線量やビデオ映像など得られた情報から総合的に判断することが求められるが、ガンマ線量や外観だけでは燃料デブリと弁別することが困難なケースも多い。
•

PCV内で中性子を測定できれば、アクチニド（主にCm-244）から発せられる自発核分裂
中性子を測定することで、燃料デブリ（燃料物質）を弁別できる可能性がある。

•

燃料デブリを検知するためには、小型の中性子検出器を、遠隔操作によってきわめて狭い経路を通って燃料デブリ近傍にアクセスし、高ガンマ線量下で、微弱な中性子を計測する必要がある。

•

さらに、中性子計測は、ＰＣＶ内の燃料デブリ検知の他、燃料デブリ取り出し時の臨界管理、燃料デブリサンプリング、収納・移送・保管等、複数のニーズがあり、適用対象の検討も合わせて実施する。
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１．研究の背景・目的
1-2 本研究の成果の適用先
ニーズ

燃料デブリの所在の特定・検知(PCV内部調査)

再臨界になる
可能性がある
場所での監視

3
内容

水中

気中

必要な中性子検出器の概要

・高ガンマ線環境において低中性子束の検出
ペデスタル内外の地下階に、アクセスし、・調査目的であるため、短時間
燃料デブリの状況を調査であり、集積線量に対する耐性
条件は比較的高くない

臨界検知

燃料デブリ取り出し時、長期間にわたっ ・高ガンマ線環境かつ、集積線て、燃料デブリの状態を監視
量の高い耐性が必要

再臨界

堆積物除去の際の、燃料デブリの状態 ・高ガンマ線環境での高中性子を監視
束検出が必要燃料デブリ取り出し・サンプリ 取り出し・サンプリング作業中の臨界状 ・高ガンマ線環境においてング作業中の監視
態を監視
中性子束を検出収納、移送、保管収納缶内の燃料デブリの状態を監視

・高ガンマ線環境かつ、集積線量の高い耐性が必要

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１．研究の背景・目的
1-3 研究の目標

4【目標１】フェーズ１の知見に基づき、要求仕様(スライド⑪)に適合した、汎用のセンサシステムを完成させる。
⇒≪フェーズ2 実施項目１≫（１）センサ設計および製作（トライアルステージ）（２）センサユニット試作および評価（プロトタイプステージ）【目標２】PCV内部詳細調査への適用を想定※し、実機に適用する際に検討が必要となる事項を評価し、問題なく適用できることを確認する。
⇒≪フェーズ2 実施項目２≫
実機適用時の課題検討※PCV内部詳細調査の調査装置計測ユニットの情報は事務局を介してより入手。
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２．実施項目とその関連、他研究との関連
2-1 本研究の実施項目、実施項目間の関係性

5

中性子検出器の比較
１Ｆ用システムの検討

本
研
究
の
範
囲

フェーズ1
（2017.4～2017.9)

性能評価試験によるシステム評価

小型中性子検出器の設計・製作•

フェーズ2（2017.12～2018.9)実用機(汎用機)の設計・製作と性能確認実証事業に適したカスタマイズ

小型中性子検出器の実証•

他PJにおいて、1F実証

1Fでの実証（2018.10～)

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２．実施項目とその関連、他研究との関連
2-2 他研究との関係性

6

燃料デブリの所在特定・検知(PCV内部詳細調査)
ペデスタル内外にアクセスし燃料デブリ由来の中性子を検知

調査作業への適用結果を踏まえセン
サの性能、サイズ、等を改善

サンプリング作業中の燃料デブリ接近への監視

燃料デブリサンプリング・取り出し作業中の監視

収納缶内の燃料デブリの状態を監視

収納缶収納、移送、保管

小型中性子
検出器の開発サンプリング作業への適用結果を踏まえセンサの性能改善

他のセンサとの比較を含め耐放射線性、遮蔽等の改善

臨界管理において、短時間での、燃料の臨界状態を監視

他のセンサとの比較を含め耐放射線性、遮蔽等の改善

再臨界になる可能性のある場所で監視

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7

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４．実施体制図

8

技術研究組合 国際廃炉研究開発機構（IRID)
・全体計画の策定と技術統括
・技術開発の進捗などの技術管理のとりまとめ

小型中性子検出器の開発
日立GEニュークリア・エナジー

中性子検出器設計、製作、試験

実機適用向けエンジニアリング

EPRI／Rhombus

日立パワーソリューションズ

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9

５．実施内容5-1 小型中性検出器の1Fの適用性評価（フェーズ1）結果
5-1-1 CMOS型中性子検出器の測定原理
中性子線の一部が反応層で核反応によりα線と3Hになる

中性子線
中性子線

γ線

γ線
3H

反応層

反応層
α線

チャージ電荷

＋ －

CMOS層

CMOS層
カメラの画像素子に使用される半導体。
ピクセルごとの光のデータを信号として記録、転送する。

• 中性子との相互作用により生じた重荷電粒子により、CMOSピクセル上に明るいクラスタパターンを生成。
• ガンマ線の場合、相互作用により生じた電子により、CMOSピクセル上に中性子と比較して小さなパターンを生成。
無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning5-1 小型中性検出器の1Fの適用性評価（フェーズ1）結果
5-1-2 CMOS型中性子検出器による中性子の測定例

10■ ライブラリパターンとの一致による判別により、中性子/ガンマ線の弁別性が高い【イメージ】【イメージ】
グレースケール（黒0～255白)の最高値(255)のクラスタ数を計測→ガンマ線量率環境でも、 中性子を検出可能。
小型化の開発が見込めるCMOS型中性子検出器を用いて、汎用ユニットの試作器を製作し、性能を評価した。
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11

5-2 センサ設計および製作 (トライアルステージ)
5-2-1 フェーズ２の要求仕様
項目

中性子
検出
性能

環境
適応性

サイズ
電源、
ｹｰﾌﾞﾙ
等

信号
処理系

条件
仕様
中性子
計測時間１時間で、燃料デブリから発生した中性子と有意に判別できる計数
検出感度を、0.1n/(cm2・s)の中性子束に対して得られること。
中性子－ｶﾞﾝﾏ線
上記の感度を線量率1000Gy/hのガンマ線場の中で達成できること。
弁別性能
中性子束の
0.1n/(cm2・s)以上、1,000n/(cm2・s)以下の中性子束を計測できること。
計測範囲
耐放射線性
耐熱性
その他
寸法
信号ケーブル
電源位置
速度
操作

累積線量1000Gyまでは、上記中性子検出感度及び弁別性能が保たれること。
温度40℃の環境下で正常に動作し性能が保たれること。
水中でも正常に動作し性能が保たれること。
直径20mm、高さ40mmの円筒に収まること。
検出器から信号を取り出すために直径3mm以下、長さ60m以上のケーブルを用いても、検出性能の仕様を満たすこと。また、ケーブルは目的の測定場所に送り込むのに十分な柔軟性を有すること。
格納容器外から電源を安定して供給できること。または、電池等の電源も含めてサイズ条件を満たすこと。
信号処理装置は格納容器外で人がアクセスできる場所に配置できること。
中性子を検出したことを遅滞無く示せること。
特別に長期間の訓練等を行わずに中性子束を測定することができること。
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5-2-2 技術的課題に対する要素試験の内容

12■ センサユニットの設計に反映することを目的に実施
カテゴリ

内容

(1)

CMOSセンサのばらつき

複数個のCMOSセンサに中性子線を同一条件にて照射し、出力のばらつきを評価(2)

CMOSセンサの積層効果

CMOSセンサを複数枚重ねて検出効率を評価(3)

ケーブル選定同じ試験体系で2種のケーブルそれぞれを接続して照射し、比較選定

(4)

耐高温特性

CMOSセンサを直接加熱し(40℃)、検出性を確認(5)

検出下限値(0.1n/(cm2・s))低い中性子束の線源を用いて検出下限を評価
Co-60タワー(γ線源)

中性子線源(Pu-Be)+減速材

要素試験の試験体系
ケーブル

CMOSセンサテーブル

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5-2-3 試験結果とプロトタイプ設計への反映
カテゴリ

試験結果

13

プロトタイプ設計への反映(1)

CMOSセンサの ±10％以内
ばらつき(統計的なばらつき程度)• 同一ロット内では、無作為抽出可能(2)

CMOSセンサの 9センサで1センサと比較し積層効果4.7倍の感度• 9枚のCMOSセンサを積層構造とする※スライド⑯の検討結果、3枚に変更

ケーブル選定ケーブル延長は必要となるが、• ケーブル延長のための増幅器・中継直径が許容範囲内である器等の仕様検討
同軸ケーブルを選定

(4)

耐高温特性

中性子検出は可能• プロトタイプで再評価
但し、ＣＭＯＳ自体の発熱によ(ケース内発熱の可能性があるため)る周辺の昇温がある。

(5)

検出下限値
(0.1n/(cm2・s))

複数センサ構造において0.1n/(cm2・s)を検知可能な
見込み

(3)

• 解析による確認が可能なため最終的な構造で下限値を評価

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5-3-1 センサユニットの構造

1418.4ｍｍ
反応層

データ収集・伝送部
フレキシブル
プリント基板CMOSセンサ

60m
40mm

φ2.7mm

コネクター
金属体
3チップ
パッケージ
ヒートシンク20mm

小型中性子検出器(センサユニット)完成品

要求仕様
サイズ：φ20mm×40mm
ケーブル径：3mm以下、ケーブル長：60m以上を全て満足
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5-3-2 （参考）センサユニットの構造検討（１／２）

15※ MCNP：Monte Carlo N-Particleのシミュレーション

構造候補

8

1) 1×9配置
7

6

5

4

3

2

2) 立方配置1F3) 3×2配置

F

17.60

0°

E

13.61

E

構造制限
(φ20mm×40mm)

14.58

4.39

34.59

40
38

1.50

0.41

D

34.03

0.56

10.60

90°

R1

D

5

4

1

3.45

中性子の
入射方向

C

C

18
TRUE R2.2020a)中性子入射方向 0°の感度
最大
中性子検知b)中性子入射方向 90°の感度
感度(MCNP※によ最小る評価)c) 散乱場(水中)の場合の感度
B

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS
SURFACE FINISH:TOLERANCES:
LINEAR:ANGULAR:NAME

DEBURR AND
BREAK SHARPFINISH:

SIGNATURE

B

DO NOT SCALE DRAWINGREVISION

EDGES

DATE

TITLE:

DRAWN
CHK'D

3.

80

A

APPV'D

Q.A

20

8

7

選定
備考

A

MFG

•
•

6

5

4

MATERIAL:

DWG NO.

WEIGHT:

SCALE:2.5:1

3

2

MECH3

A3

中程度

最小

中程度

最大

SHEET 1 OF 1

1

最大
中程度
中程度
○
×
×
0°は床面に堆積した燃料デブリの方向を想定する。
燃料デブリに向かう方向を想定した場合に、1）1×9配置が最大感度を持ち得る。

1)をメインコンセプトとして選定し、周辺機器(データ伝送等)設計
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5-3-2 （参考）センサユニットの構造検討（２／２）
要求仕様
検討実施項
目

当初案

素子数
伝送
データ収
集
検
ケーブル
討
※
項
目 電源供給
内部装置
外部装置

サイズ
要
求 ケーブル
仕長様と ケーブル
の
径
比
較
感度

評価結果

案０

案１

案２

案３

案４

素子数、ケーブ
ケーブル長/径を満足する別の伝
初期案の一つ。 ル芯線を減らし、送形式を検討。
細線化を検討。

案５

案６

アンプ内蔵によるデータ伝送距離の延伸を検討。

16
案７
センサ数を減らし、ケーブル長/径を満足する方法を検討

9
デジタル

9
デジタル

6
デジタル

9
デジタル

9
デジタル+光

9
デジタル

6
デジタル

3
デジタル

3センサ毎

3センサ毎

3センサ毎

9センサ毎

3センサ毎

3センサ毎

3センサ毎

3センサ毎

同軸B ×3

同軸A ×3

同軸B ×2

同軸A ×1

同軸に含む

同軸に含む

同軸に含む

-

-

-

中継器

-

Φ20mm×40mm

Φ20mm×40mm

60m

同軸B ×3

同軸B ×2

同軸A ×1

同軸に含む伝送基板の新設計

光ファイバ+
電源同軸B
同軸B
光伝送変換
+光源

同軸に含む
ユニット内に
アンプ

同軸に含む
ユニット内に
アンプ

同軸に含む

中継器

-

-

-

-

-

Φ20mm×40mm

Φ20mm×40mm

Φ40mm×40mmより大Φ40mm×40mmより大Φ20mm×46mm

Φ20mm×40mm

Φ20mm×40mm

30m(→60m)

60m

30m(→60m)

60m

60m

45m

45m

60m

<3.0mm3.3mm(>3.0mm)

6.2mm

3.1mm
(>3.0mm)

2.8mm< 3.0mm

3.3mm(>3.0mm)

3.1mm(>3.0mm)

2.8mm

0.1～1000nv
で検知可能

5.8cph@0.1nv

5.8cph@0.1nv

4.6cph@0.1nv

5.8cph@0.1nv

5.8cph@0.1nv

5.8cph@0.1nv

4.6cph@0.1nv

2.8cph@0.1nv

ケーブル長のみ未達。
なお実運用を考慮す
ると、搭載ロボットに中継器は設置可能とは判断される。

ケーブル径
のみ未達

ケーブル長/径が未達

ケーブル長/径、サイズが未達ケーブル長/径
が未達

すべての
仕様を満足

設計
のみ

※ 同軸Ａ：φ2.8mm、同軸B：φ1.4mm

センササイズが未達-

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5-3-3 中性子検出システムの検討（１／５）

17■ CMOSセンサ･･･3枚、積層
ケーシング

フレキシブル
プリント基板プリント基板約700mm

CMOS
センサ

データ収集
・伝送部

データ収録装置

接続ケーブル

HUB

センサユニット（PCV内）

同軸ケーブルPC
ソフトウェア等

制御・表示用PC
画像処理PC電源

受信･信号処理部(PCV外)
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5-3-3 中性子検出システムの検討（２／５）

18■ ユーザーインターフェース
記録開始、停止、イニシャライズ
各チップの運転状況(検出中、停止中等)
各センサの中性子検出位置
総カウント数、トータルcps

cps：カウントレートの時間変化

記録情報・中性子検出時間、位置、個数のCSVファイル
・各フレームの画像ファイル

PC
ソフトウェア等

電源

受信･信号処理部

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5-3-3 中性子検出システムの検討（３／５）

19■ 検出アルゴリズムの開発経緯（１/３）
STEP 1 : ピクセルイメージデータ測定

STEP ４ : 中性子束変換(n/(cm2・s))(今回仕様：36万ピクセル、 60fps)【イメージ】

入力データ（デジタル）：• 座標• 時刻（1/60秒間の総数）• 強度（8bitグレースケール(0-255））

予め校正場で取得したn/(cm2・s)/cpsを乗じて中性子束に変換

STEP ３ : 中性子カウント出力(cps）
一定時間計測、中性子カウントを算出（60フレームが1秒分に相当）

STEP 2 : 粒子パターン認識アルゴリズムによる中性子信号の自動識別

中性子の自動判定プロセス
ガンマ線・中性子束の照射データ(画像)を用いてパターンライブラリへの入力データを取得。

中性子起因荷電粒子
強度255のピクセル形状をパターンライブラリに登録※次ページ以降に詳細説明

ノイズ（ガンマ起因）
中性子とは判断しないパターンとマッチングできたクラスタ(粒子パターン)を、中性子と判断無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning5-3 センサユニットの試作および評価 (フェーズ２：プロトタイプステージ)
5-3-3 中性子検出システムの検討（４／５）

20■ 検出アルゴリズムの開発経緯（２/３）- アルゴリズムA（ﾌｪｰｽﾞ1～ﾌｪｰｽﾞ2(2018年5月)）
・強度255(完全な白)が、４ピクセル（2×2）以上固まって表出された時に、中性子と判断【イメージ】

フェーズ1の誤検知

課題：1000Gy以上の高ガンマ蓄積時に、全体がホワイトアウトし誤検知が増加(フェーズ1)⇒ 全体の強度に応じて、検知サイズの閾値を設定（次ページのアルゴリズムB)
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5-3-3 中性子検出システムの検討（５／５）

21■ 検出アルゴリズムの開発経緯（３/３）- アルゴリズムB（プロトタイプステージUMD試験8/9迄）アルゴリズムC（プロトタイプステージUMD試験8/10以降）例）強度が高くなる(高ガンマ蓄積・高温環境の継続環境等)場合の中性子検出（クラスタ内の強度２５５の画素数）

中性子判定閾値

アルゴリズムB：
検出したクラスタの周りの平均の白さに応じて閾値を変更
例（4（2ｘ2）→9(3x3)→16(4x4)→25(5x5)）

アルゴリズムC (アルゴリズムBに以下を追加)：
弁別性を向上するためにリアルタイム処理時間内で、パターンマッチング回数を増加させた

高ガンマBGにおける誤検知の改善

2525【イメージ】
20

中性子なし、1028Gy/hの試験にて数カウント検知

20

16

15

【イメージ】

12109小型中性子検出器→燃料デブリ由来の中性子の有無を検知することが必要

6

5

4

0
0

50

ガンマ線による誤検知は極力減らすべき
よって、アルゴリズムCの適用が現状最250
善と判断される

100
150
200
平均強度（０：黒～２５５：白）※強度(CMOS画像の白さの平均値)：集積600～800Gy(1028Gy/h，40～50分)で100～150程度、1000Gy以上で150以上程度

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5-3-4 評価試験内容（１／２）

22■ UMD(※)試験体系
Co-60タワー

センサユニット

中性子線源+減速材【中性子線源】• Pu/Be（高強度）又はCf-252（低強度）。
• 減速材(HDPEブロック)を配置※減速材厚みは約50mm
中性子線源と減速材の配置 HDPE（高密度
ポリエチレン
ブロック）
線源を挿入

ケーブル

テーブル

Co-60タワーの方向

アクリルプレート

中性子線源、ガンマ線源からの距離を調整することで、それぞれの強度を目的の値に調整（※）UMD：メリーランド大学
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5-3-4 評価試験内容（２／２）■ 評価試験項目
試
験
No

①

②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧

カ
テ
ゴ
リ

試験条件（赤字は日立での追試験）
項目

中性子
検出感度

確認事項（要求仕様）

0.1n/(cm2･s)の中性子を1時間以内に
検知可

中
性
子
検 中性子-ｶﾞﾝﾏ線 1000Gy/hのガンマ線環境下で上記を
出
弁別性能
達成可
性
能 中性子束の 中性子束の計測範囲を確認（ガンマ
計測範囲
線量率をパラメータとして実施）
環
境
適
用
性

23

中性子

γ線量 γ線集積
率
線量

温度

他の条件

(n/cm2･s)(Gy/h)

(Gy)

(℃)

(－)

0.1
0（100分）0（50時間）

0

0

20

－

0.1

1028

1028

20

－

0～
737

0～
1028

－

20

－

1028 0～1542

20
20～40
23～60

－

耐放射線性

ガンマ線の集積線量に対する検出性

737

耐熱性

雰囲気温度40℃でのセンサ健全性

737

0

0

水密性

水没後のセンサ健全性

0

0

0

20

通電確認
検出可否

737

1028

－

40

－

100/0

0/1028－20

0～180ﾟ

複 耐放射線・耐熱 複合過酷環境下での健全性
合・
角度依存性 中性子入射角度の検出性への影響
他－

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5-3-5 評価試験結果（１／１２）■ ①中性子検出感度
UMDでの試験
中性子束(n/(cm2・s))
BG

1回目

0.1

100 分

60 分

120分

0 カウント2 カウント

6 カウント

2回目

5 カウント

3回目

3 カウント
平均24【試験条件】
・中性子束：BG、0.1 n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率： BG
・照射時間： 60、 100、120分
・雰囲気温度：20℃
・アルゴリズムBにて判定

2.3cph
(解析では2.8)

日立での試験
中性子線源、ガンマ線の無い状況で50時間カウント無し【イメージ】

0.1n/(cm2・s)単独場において、中性子を検出できる見通しを得た。
無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning5-3 センサユニットの試作および評価 (フェーズ２：プロトタイプステージ)
5-3-5 評価試験結果（２／１２）

25■ ②中性子-ガンマ線弁別性能【試験条件】
・中性子束：BG、0.1n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率：1028 Gy/h
・照射時間： 60 分
・雰囲気温度：20℃
・アルゴリズムBにて判定

中性子束(n/(cm2・s))

BG
ガンマ線
量率
1028
(Gy/h)

1回目

60分

0カウント

2回目

60分

1カウント

3回目

60分

4カウント

0.1
60 分

0.1(n/(cm2・s))とBGを明確に弁別することが

8.0
7.0

想定カウント• ガンマ線(1028Gy/h)環境下では、中性子計測1時間でのカウント数のMCNP解析

9.0• 解析上、1時間の計測で67％の確率で1.1～
4.5カウント（平均2.8カウント）が出力される

4カウント

1×3配置：
2.8カウント

6.0
5.0
4.0
3.0

2.0
1.0

できなかった。

0.0
1

2

3

4

5

センサ数

6

7

8

9

10

無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning5-3 センサユニットの試作および評価 (フェーズ２：プロトタイプステージ)
5-3-5 評価試験結果（３／１２）26■ (参考)②中性子-ガンマ線弁別性能
中性子束(n/(cm2・s))

BG
ガンマ
線量率
1028
(Gy/h)

1回目

60分

0カウント

2回目

60分

0カウント

3回目

60分

0カウント

0.1
60 分

1カウント

【試験条件】
・中性子束：BG、0.1n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率：1028 Gy/h
・照射時間： 60 分
・雰囲気温度：20℃
・アルゴリズムCにて再判定• BGにおいて中性子検知は無く、0.1n/（cm2・s）
において1カウントという結果となった。
• 中性子を検知できているものの、高ガンマ環境下では、 0.1n/（cm2・s）の検知は難しい。

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5-3-5 評価試験結果（４／１２）

27■ ③中性子束の計測範囲
1.E+01【試験条件】
・中性子束：0.1～737 n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率： BG～1028 Gy/h
・照射時間： 10～60 分
・雰囲気温度：20℃
・アルゴリズムBにて判定

中性子計数率 (cps)

1.E+00

1.E-01

1.E-020Gy/h

1.E-03

546Gy/h

1028Gy/h
1.E-040.1

1

10
中性子束(n/(cm2・s))

100

1000

・ユニットとしての感度は約0.007cps/（n/(cm2・s))→Phase1の1chip（0.0034）の約2.1倍の感度
・1000Gy/h環境下でも使用可能。ただし、0.1n/（cm2・s）の中性子はガンマ線と弁別して検出できない（ 25 ）と評価されたため。
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5-3-5 評価試験結果（５／１２）【試験条件】
・中性子束：737 n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率：1028 Gy/h
・照射時間： 60 分、90分
・雰囲気温度：20℃
・アルゴリズムBにて判定■ ④耐放射線性
737n/(cm2・s) 1028Gy/h 60分,90分
20000

1800

16000

1600

14000

1400

12000

1200

10000

1000

8000

800

6000

600

4000

400

2000

200

0

ガンマ線

積算線量（Gy)

積算カウント2000

1回目
積算カウント（１回目）
2回目
積算カウント（２回目）
Total
Gy
積算線量

18000

28

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90
中性子束

Time (分)⚫ 試験は２回実施。
⚫ センサー寿命（感度維持）は、30分～1時間程度（約500～1000Gy）
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5-3-5 評価試験結果（６／１２）■ ⑤耐熱性【試験条件】
・中性子束：737, 20 n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率： 0 Gy/h
・照射時間： 各10分
・雰囲気温度：20～60℃
・アルゴリズムCにて判定

1.E+04

中性子カウント値(10分間)

737n/(cm2・s)(UMDで実施)

20n/(cm2・s)(日立で実施)1.E+03

29

銅フィン

断熱ケース

1.E+02

温度計

1.E+01
10

20

30

40
雰囲気温度 (℃)

50

60

70
ヒータ

UMDでの試験体系• 雰囲気温度が上昇しても、中性子検出に顕著な差は無い。
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5-3-5 評価試験結果（７／１２）30■ ⑥水密性試験（１）・水深1mに水没・合計14時間以上（14時間50分）浸漬・センサを導通させ故障の有無を確認• 浸漬により水密性が損なわれないことを確認。
• 14時間の水没状態の後でも、動作を確認。

試験（２） ※日立で中性子照射試験を実施した結果
・中性子束照射（１０分）
・水深1mに水没
・合計1時間浸漬
・中性子束照射（１０分）• 水没前７５カウント、水没後６２カウントでほぼ変化無し• CMOSグレースケールの変化や画像の特定領域の欠落等は見られなかった
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5-3-5 評価試験結果（８／１２）■ ⑦耐放射線・耐熱
中性子束(n/(cm2・s))

ガンマ
線量率(Gy/h)0.1

737

0(中性子線のみ)

1028

60 分

1カウント
2.8e-4cps

103273カウント
5.45cps

10453カウント
1.38cps31【試験条件】
・中性子束：0.1、737 n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率： 0、1028 Gy/h
・照射時間： 10 分
・雰囲気温度：40℃
・3センサ、φ2.8mm×60mケーブル
・アルゴリズムCにて判定• 中性子のみの照射において、室温時とほぼ変わらないカウントができた。
• 40℃・1028Gy/hでは、感度が大幅に落ちた。
18

各環境における比較

カウント rate (CPS)16• 雰囲気温度40℃または1028Gy/hの単独での試験では、感度の変化は小さい。

14
12
10
8

• 中性子検知は可能だが、高温および高ガンマの環境が複合した場合には、大きな感度低下が見られた。

642
00 Gy/hr

0 Gy/hr, 40C

1000 Gy/hr

1000 Gy/hr, 40C

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5-3-5 評価試験結果（９／１２）32■ ⑧角度依存性
中性子束 100n/(cm2・s)、ガンマ線0及び1028Gy/h

角度

0°

45°

90°

135°

180°

時間
（中性子単一場）

10 分

10 分

10 分

10 分

10 分

10 分

10 分

時間
（複合場）

上
から
0°

45°

90°

135°
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5-3-5 評価試験結果（１０／１２）33■ ⑧角度依存性
Neutron only

【試験条件】
・中性子束：100 n/（cm2・s）
・ガンマ線線量率： 0、1028 Gy/h
・照射時間： 10 分
・雰囲気温度：20℃
・アルゴリズムCにて判定

1000Gy/h環境

0.9

中性子計数率(cps)

0.8
0.7
0.6
0.5

0.4
0.3

0.2
0.1
0
0

45

90
角度 (°)

135

180

0～90°：センサ面の角度が45°までは大きな変化は無く、以降ではカウント数が低下。
：高ガンマ環境化ではさらに低下
90～180°：135°までは大きな変化は無く、以降ではカウント数が低下(背面のセンサヒートシンクのための金属体による遮蔽の効果が大)無断複製・転載禁止 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構©International Research Institute for Nuclear Decommissioning5-3 センサユニットの試作および評価 (フェーズ２：プロトタイプステージ)
5-3-5 評価試験結果（１１／１２）
項目
中
性
子
検
出
性
能

環
境
適
応
性

信
号
伝
送

34

条件

要求仕様目標結果（○：適、△：条件付適）中性子検出感度

0.1n/(cm2・s)の中性子束に対し１時間で中性子計数を取得できること。

○合計7時間の測定を実施。１時間当たり平均2.3個の中性子を検出

中性子-ガンマ線 上記感度を線量率1000Gy/hのガンマ線
弁別性能
場の中で達成できること。

△ガンマ線によるカウントが出ることで、弁別できない場合有中性子束の計測範囲

0.1n/(cm2・s)以上、1,000n/(cm2・s)以下の ○中性子束のみの環境であれば、要求中性子束を計測できること。
仕様の範囲で計測可能

耐放射線性

累積線量1000Gyまで、上記中性子検出
感度及び弁別性能が保たれること。

△累積線量1000Gyまで中性子を弁別可。
感度は若干低下するケース有

耐熱性

温度40℃の環境下で正常に動作し性能が保たれること。

○温度40℃の環境でも、常温と同一性能で検出可能。

その他

水中でも正常に動作し性能が保たれるこ○水中においても浸水無く動作と。

信号ケーブル検出器から信号を取り出すために直径3mm以下、長さ60m以上のケーブルを用いても、検出性能の仕様を満たすこと。

○上記試験は、全て、左記の要求仕様を満たすケーブルを用いた実施

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5-3-5 評価試験結果（１２／１２）
項目

目的

実施条件

・中性子束：0.1、737 n/（cm2・s）
耐放射線・耐熱・ガンマ線線量率： 1028 Gy/h
（複合過酷環境下での・照射時間： 60、10 分
健全性を確認）・雰囲気温度40℃
そ
の
他
の
試
験
・中性子束：100 n/（cm2・s）
角度依存性
・ガンマ線線量率： 0、1028 Gy/h
（中性子入射角度の検・照射時間： 10 分
出性への影響を確認）

35

試験結果

•

高温条件（雰囲気温度40℃）、または
高ガンマ線量率条件（1028Gy/h）において、感度の変化は小さい。

•

高温条件と高ガンマ線量率条件が複合した場合、急激に感度が低下。

•

センサ面の角度が45°までは大きな変化は無く、以降ではカウント数が低下。
高ガンマ環境化ではさらに低下。

•

90°以降、135°までは大きな変化は無く、135°以降カウント数が低下※背面に取付けたセンサ保護のための金属体の遮蔽の効果と推定
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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-1 実機想定評価試験内容（１／３）

36

目的：PCV内部での適用を想定し、模擬環境における中性子計測性を評価
水中の場合
中性子検出器■ 評価試験項目
項目

内容

・高密度ポリエチレンを用いた水中環境内部にCMOSセンサを備えた
水中模擬環境における センサケーシングを配置(1)
中性子計測性・堆積物模擬体(コンクリート)の内部に配置した中性子線源(Cf-252)
由来の中性子を計測

・気中環境内部にCMOSセンサと中性子減速材、中性子吸収材を
気中模擬環境における 備えたセンサケーシングを配置(2)
中性子計測性・堆積物模擬体(コンクリート)の内部に配置した中性子線源(Cf-252)
由来の中性子を計測

高さ
堆積物

燃料デブリ

気中

気中の場合を想定
中性子検出器

高さ

減速材

堆積物

燃料デブリ

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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-1 実機想定評価試験内容（２／３）■ 水中模擬環境の構成
距離単位：mm コンクリート
Y：Cf-252(37kBq)37■ 試験内容高密度ポリエチレン

項目

90°
180 °

（0,250）（200,0）
X

（0,0）

方法

堆積物内の
(1) 中性子線源による応答

・堆積物模擬体内の線源位置にCf-252を設置(X,Y) = (0,0), (200,0),(0,250), (0,-250)
・測定時間：15分/点

周辺の中性子(2) 線源による応答

・水中模擬体内の線源
位置(90°、180°)に
Cf-252を設置し、0°を(X,Y) = (0,0)として応答
比較・測定時間：15分/点（0,-250）
CMOSセンサ
センサケーシング
コンクリート計測装置

Cf-252
CMOSセンサ(内部設置)

配置図(上部PE無し)

センサ
ケーシング

センサケーシング
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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-1 実機想定評価試験内容（３／３）■ 気中模擬環境の構成
距離単位：mm コンクリート
Y：Cf-252(37kBq)38■ 試験内容高密度ポリエチレン
中性子吸収材(ﾎﾞﾛﾝｺﾞﾑ)

項目

方法

堆積物内の
中性子線源による応答

・堆積物模擬体内の線源位置(X,Y)にCf-252を設置(X,Y) = (0,0), (0,100)
・測定時間：１時間/点以上

汎用検出器
との比較

・小型B-10検出器を 使用・試験(1)と同様に線源を配置
・測定時間：1時間/点（0,100）

(1)

X

（0,0）

CMOSセンサ
センサケーシング

計測装置

(2)
センサ
ケーシング
配置図（上面）

配置図（側面）
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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-2 試験結果（１／３）

39■ 水中模擬環境：堆積物中の中性子線源による応答・各条件で中性子を検知可能
・線源位置(200,0)(0,250)(0,-250)で計数率がほぼ同一であり、測定ポイント1点では3次元的な線源位置情報の取得が困難と想定・実機では平面方向の計数率を取得することで不確定性を低減することが必要■ 堆積物模擬体の深さ方向■ 堆積物表面の平面方向
4.E-02

中性子計数率 [cps]中性子計数率 [cps]4.E-02
3.E-02
2.E-02

1.E-02

3.E-02
2.E-02
1.E-020.E+00
00

50
100
150
200
250
5
10
15
20
25
堆積物模擬体表面からの深さ [mm]線源位置(0,0)(200,0)における中性子計数率-30-300

0.E+00
-20
-10
0
10
20
30
-200
-100
100
200
300
堆積物模擬体表面の中心位置からの距離 [mm]線源位置(0,0)(0,250)(0,-250)における中性子計数率
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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-2 試験結果（２／３）

40■ 水中模擬環境：周辺の中性子線源による応答
・周辺に中性子線源が存在する場合（水中浮遊物、構造物付着物等）にも、中性子を検知可能・使用エリア近傍(200～300mm以内)の周囲に中性子線源がある場合には、中性子吸収材等を用いた遮蔽構造の検討が必要

中性子計数率 [cps]4.E-02

3.E-02
2.E-02
1.E-020.E+0004590
線源設置角度 [°]

135

180

線源位置0、90、180°における中性子計数率
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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-2 試験結果（３／３）

41■ 気中模擬環境
・熱中性子束が極めて低い環境であるため、検知に時間を要したが、中性子減速材を組み合わせることで中性子を検知可能
・コリメータ形状やコリメータ内減速材サイズを変更することで、より効率的に中性子を検知できる可能性がある
1.E-03B-10

3.E-03

2.E-03
1.E-03

熱中性子 0.025eV
1.E-04

1.E-05

高速中性子が支配的

1.E-06線源位置(0,0)(100,0)における中性子計数率

1.E+02

1.E+01

1.E+00

中性子エネルギー (MeV)

1.E-01

1.E-02

1.E-03

1.E-04

1.E-05

1.E-06

1.E-07

60
80
100
120
0
220
440
6
8
10
12
堆積物模擬体表面の中心位置からの距離 [mm]1.E-08

1.E-070.E+00

1.E-09中性子計数率 [cps]CMOS

中性子フラックス (/cm2/source)

4.E-03

センサユニット位置における中性子フラックス解析結果
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5-4 実機適用時の課題検討
5-4-3 実機適用時の課題

42■ 水中環境・実機では平面方向の計数率を取得することで不確定性を低減することが必要
・使用エリア近傍(200～300mm以内)の周囲に中性子線源がある場合には、中性子吸収材等を用いた遮蔽構造の検討が必要■ 気中環境・気中では中性子が熱化されないので、CMOSセンサの周囲に中性子減速材を設けることで熱化の促進が必要
・水中と比較して中性子検知に時間を要するため、事前の評価試験結果に基づいて調査計画を立案することが必要
・より効率的に中性子を検知するため、また使用目的に応じて、コリメータ形状やコリメータ内減速材サイズを変更することで、実用性が高まると想定

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5-5 目標に照らした達成度

43◼ 技術的目標
項目
中性子
検出性
能
環境適
応性
サイズ

条件

（※）○達成、△：課題有

仕様

達成度（※）

中性子検出感度

計測１時間で、0.1n/(cm2・s)の中性子束を計数できる○：実験検証済

中性子－ガンマ線
弁別性能

上記感度を線量率1000Gy/hのガンマ線場の中で達成できる△：スライド25-27参照

中性子束計測範囲 >0.1n/(cm2・s)、<1,000n/(cm2・s)の中性子束を計測できる○：実験検証済

耐放射線性

累積線量1000Gyまでは、中性子検出感度及び弁別可△：スライド28参照

耐熱性
その他
寸法

温度40℃の環境下で正常に動作し性能が保たれる
水中でも正常に動作し性能が保たれる
直径20mm、高さ40mmの円筒に収まる○：実験検証済○：実験検証済○：試作検証済検出器から信号を取り出すために直径3mm以下、長さ60m以上のケーブルを用いても、検出性能の仕様を満たす○：試作検証済

格納容器外から電源を安定して供給できる
信号処理装置は格納容器外で人がｱｸｾｽできる場所に配置可
中性子を検出したことを遅滞無く示せる
特別に長期間の訓練等を行わずに中性子束を測定可○：試作検証済○：試作検証済○：試作検証済○：試作検証済

電源、
信号ケーブル
ケーブル
等
電源
位置
信号処
速度
理系
操作

◼ 研究目標
項目
１
２

目標
達成度
フェーズ１の知見に基づき、要求仕様に適合した、汎用のセンサシステムをセンサシステム完成。【80%】完成させる。
PCV内部詳細調査への適用を想定し、実機に適用する際に検討が必要とな 実機適用に必要な事項を抽出、解る事項を評価し、問題なく適用できることを確認する。
析的・実験的に評価完【100%】
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• 実機適用に向けた課題・改善点は残るものの、条件付で要求仕様を満足するシステムを完成。
• 実機適用が決まった際は、関連プロジェクトと連携する。

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