福井大学 学術研究院工学系部門 研究報告 第 70 巻 2021 年 10 月
Mem. Fac. Eng., Univ. Fukui, Vol. 70（ October 2021 ）1

原子炉ニュートリノモニター開発－試作機のバックグラウンド排除能力の評価－
増井 友哉*

川端孝弥*

玉川洋一**

中島恭平**Development of Reactor Neutrino Monitor－Evaluation of the background reduction of the prototype detector－
Tomoya MASUI*, Atsuya Kawabata*, Yoichi TAMAGAWA** and Kyohei NAKAJIMA **(Received September 30, 2021)
Reactor neutrino monitor is a technology for remotely monitoring a reactor using anti-electron
neutrinos generated from the reactor. Reduction of the background is important for detecting
neutrinos, and previous studies have shown that the background for neutrinos is 100 times (S/N =1/100). Currently, we have created a prototype for the development of a 1t size Gd-containing liquid
scintillator for neutrino monitors with the goal of S/N = 1/10. In this paper, we evaluated the abilityof the prototype to eliminate the background by pulse shape discrimination.
Key Words : Reactor Neutrino Monitor, Background, Liquid Scintillator
1.

緒

言

原子炉から発生する反電子ニュートリノを用いて

2.

研究背景

2.1 原子炉ニュートリノモニター

原子炉を遠隔から監視する技術である原子炉ニュー原子炉ニュートリノモニターとは，原子炉内でのトリノモニターの開発を進めている．反電子ニュー核分裂により発生する反電子ニュートリノを用いて，トリノは相互作用がほとんど起こらず，検出頻度が原子炉の運転状況や核燃料内部の 235U と 239Pu の組低いため、地上での測定は、バックグラウンドの排成比を遠隔でリアルタイムに監視する技術である．

除が重要な課題となっている．

またニュートリノは，弱い相互作用でしか反応し先行研究では原子炉由来のニュートリノ事象に対ないため，遮蔽による隠ぺいが困難であり，この技してバックグラウンド事象が 100 倍(S/N = 1/100)と術により IAEA(国際原子力機関)の核不拡散に貢献いう結果が得られており，この結果を踏まえて、現できると考える．IAEA では，239Pu の兵器転用防止

在 S/N = 1/10 を目標とした 1t サイズの波形弁別能力のため IAEA の保障措置の元，核査察を行っている。

を有する Gd 含有液体シンチレータ検出器の作成を従来の方法では核燃料に対して、非破壊検査などに行っている．

よる確認を行っているがこの方法では査察側，被査本論では，目標とする検出器の約 1/100 の大きさ察側の両方に負担がかかってしまう．そのため遠隔の試作機を作成し，作成した試作機の波形弁別を用からリアルタイムで監視でき，プラントシステムかいたバックグラウンドの排除能力を評価し，結果にら独立した原子炉ニュートリノモニターの開発が注ついて検討する．

目されている[1]．

* 大学院工学研究科安全社会基盤工学専攻** 原子力安全工学講座* System and Infrastructure Engineering for Safe andSustainable Society, Graduate School of Engineering** Department of Nuclear Safety Engineering

原子炉ニュートリノモニター実用化のため、性能として地上で測定可能，炉の運転に干渉しない，どこにでも設置可能、安価でコンパクトなどが求められる．そのため，これらの条件を満たすことのできる 1t サイズ程度のニュートリノ検出器の開発を現在行なっている．

2

2.2 先行研究239

Pu が核分裂し，β崩壊した際に発生する．1 核分裂あたりに平均 6 個発生し、3GW の熱出力で 1 秒間2.2.1 SONGS 実験に約 6×1020 個発生する．

SONGS(San Onofre Nuclear Generating Station)[2]実験とはアメリカで 2003 年から 2007 年にかけて行わ2.4 液体シンチレータ

れていた実験であり，原子炉から発生した反電子液体シンチレータとは，有機シンチレータの一種ニュートリノを用いた測定により，原子炉ニュートリノモニターの実現性を示した実験である．
この実験は，地下 10m，原子炉から距離 24.5mの位置に検出器を設置し，原子炉由来のニュートリノ測定を行なった。ニュートリノ検出器として
Gd 含有液体シンチレータを 0.64t，宇宙線排除用にプラスチックシンチレータ，中性子に対する遮蔽材として 50cm 厚のポリエチレンが使用されている．
測定結果として，原子炉稼働時にニュートリノの検出効率が 544±13/day，停止時に 105±9/dayと原子炉稼働時と停止時でニュートリノの検出器に明確な差があることが確認できた．

で特徴として波形の減衰時間が短く，約 10ns 以下である．本研究では，逆β崩壊反応を用いて反電子ニュートリノを検出するため，ニュートリノ検出器として陽子を多く含む液体シンチレータを使用した。
液体シンチレータを用いる利点として安価で大量に作ることができる点，容器の形状に拡張性がある点，溶質に添加材を加えることで容易に改良できる点などが挙げられる．
液体シンチレータは，主に溶媒，溶質 2 つで構成されており，溶媒には移動性に富み，励起されやすいπ電子構造を持つ有機物を使用することで溶媒間でのエネルギー移行が起こりやすくすることができる ． 主な溶媒の例としてリニアアルキルベンゼン(LAB)やプソイドクメン，トルエンなどが挙げられ

2.2.2 PANDA 実験る。また原子力発電所で測定をする点から事故防止

PANDA(Plastic Anti -Neutrino Detection Array)実験[3]のため毒性が低く、引火点が高いものを用いる必要とは，日本の北里大学が開発を行っている原子炉ニがある．溶質については，発光剤としての役割を持ュートリノモニターの実験であり，特徴としてニュ

つ第一溶質と波長変化剤としての役割を持つ第二溶ートリノ検出器として Gd 含有シートを巻いたプラ質の二つに分類できる．第一溶質は，溶媒から移行

スチックシンチレータを検出器として用いている ．

されたエネルギーにより励起され，蛍光を発するた

プラスチックシンチレータは不燃性であるため，原め蛍光効率や溶解度が重要である．第二溶質は、第子炉施設内で測定する際に安全であるという点で優一溶質で放出された光を吸収し，使用している光電れている。また特徴として 1 本 10×10×100cm のプ子増倍管の感度に合わせた波長の光を放出するもの

ラスチックシンチレータを 100 本組み合わせて検出を使用する必要がある．

器として使用している．

これらの溶媒と溶質に加え，本実験では、添加物と32019 年に関西電力の大飯原子力発電所の 4 号機の原子炉から 45m 離れた地上でテスト測定を行ない，して Gd と Ultima Gold - F を加えた液体シンチレータを試作機として使用した．

結果としてニュートリノ事象に対するバックグラウンド事象の比(S/N)が 1/100 となり，原子炉由来の反電子ニュートリノの有意性を確認するには、約 20 日の測定を要することが確認された．

2.5 原子炉由来の反電子ニュートリノの検出
原子炉由来の反電子ニュートリノは，検出器内で起こる逆β崩壊反応を利用して，遅延同時計測法を用いて検出する．逆β崩壊反応の式は，2.3 反電子ニュートリノ

𝜈𝜈̅𝑒𝑒 + 𝑝𝑝 → 𝑒𝑒 + + 𝑛𝑛

(1)

ニュートリノとは，素粒子である中性レプトンのと表される。式(1)より有機シンチレータ内の陽子と一種で電子ニュートリノ，タウニュートリノ，ミュ1.8MeV 以上のエネルギーを持つ反電子ニュートリーニュートリノの 3 種類に分類できる．ニュートリノが反応し、陽電子と中性子を発生させる．

ノは電気的に中性であり，質量が非常に小さいため遅延同時計測法とは，図 1 のように逆β崩壊反応弱い相互作用でしか反応せず，高い貫通力を有してにより発生した陽電子が検出器内に落とすエネルギいる．

ーと陽電子がエネルギーを落とし切った後、電子とまた 3 種類のニュートリノには，それぞれ反粒子反応し、対消滅した際に発生する 2 本の 511keV のが存在する．電子ニュートリノの反粒子である反電対消滅ガンマ線を先発信号，逆β崩壊反応により発Uと生した中性子が熱化して Gd に中性子捕獲された際子ニュートリノは，原子炉内で核燃料である235

3に発生する合計のエネルギーが約 8MeV となる複数

2.7 波形弁別のガンマ線を後発信号として，先発信号と後発信号波形弁別とは，信号波形の違いからガンマ線と中の時間差によりニュートリノ事象を検出する方法で性子を弁別する方法である．ニュートリノ事象の先ある．このときの先発信号と後発信号の時間差は約発信号がガンマ線，高速中性子事象の先発信号が中数十μs である。Gd を使う理由として中性子捕獲断性子による反跳陽子であることからガンマ線と反跳面積が大きいという特徴があり，検出器内の Gd の陽子の波形を弁別することでバックグラウンドであ濃度が高いほど先発信号と後発信号の時間差が短くる高速中性子事象を排除することできる．ガンマ線

なる．また遅延同時計測法を用いることで時間相関と中性子では図 3 のように波形の減衰部分に差があのないバックグラウンド事象を排除することができるため波形全体の積分値 Q と波形の減衰部分の積分る．

値 Qtail の比である Qtail/Q により弁別できる．Q については波形の波高値の最大になる位置から 20ns
前と 120ns 後の合計 140ns の範囲、Qtail については波形の波高値の最大になる位置から 36ns 後の波形が減衰し始める位置から 84ns 後までの範囲を積分範囲とした．

図 1

遅延同時計測法を用いた反電子ニュートリノの検出原理

2.6 バックグラウンド
遅延同時計測で排除できないバックグラウンド事象として，偶発背景事象と高速中性子事象がある．
偶発背景事象は、先発信号として環境ガンマ線，後

図3発信号として環境ガンマ線などが遅延同時計測の時ガンマ線と中性子の平均波形間差内で偶然反応した事象である．高速中性子事象
は図 2 のように先発信号として高速中性子と弾性散3.

本研究の目的

乱した反跳陽子が検出器内に落とすエネルギー，後発信号として高速中性子が熱化して Gd に中性子捕獲された際に発生する合計のエネルギーが約 8MeV

先行研究である PANDA 実験が原子炉近傍の地上でテスト測定をした際に，ニュートリノ事象に対しとなる複数のガンマ線が後発信号となり，ニュートてバックグラウンド事象が 100 倍(S/N = 1/100)といリノ事象とよく似た時間差で発生するため遅延同時う結果が得られた．ニュートリノモニターの実用化計測で排除することが非常に困難である．これらののためには，より少ない日数で原子炉由来の反電子事象を排除することが課題となっている．

ニュートリノの有意性を確認する必要があるため ，バックグラウンド事象のさらなる排除による S/N の改善が重要な課題となっている。バックグラウンド事象の内訳として偶発背景事象と高速中性子事象の2 つが大部分を占めている。このうち高速中性子事
象は先発信号が中性子のため波形弁別により排除することができる．
そのため本研究では，高速中性子事象を排除できる 1t サイズの波形弁別能を有する Gd 含有液体シンチレータの作成を行っている．PANDA 実験で使用した検出器は波形弁別能力を有していないため本研

図2

高速中性子事象の例

究で作成している検出器は，S/N の更なる改善が望4

めるため性能として S/N = 1/10 を目標としている．

確認を行った．測定には、中性子線源である 252Cf を現在は，最終目標である 1t サイズの検出器の作成の用いてニュートリノ事象と同様の時間相関をもつ事

前に約 1/100 サイズの試作機を作成し、性能評価を象である高速中性子事象で遅延同時計測を行った ．

行っている．

2 事象間の時間分布は，図 5 のようになった．時間

本稿では，作成した試作機の波形弁別によるバッ相関のある事象と時間相関のない事象が混ざった区

クグラウンドの排除した際の S/N の改善ついての実間をΔTon，時間相関のない事象のみの区間をΔToff

験結果を述べる．

としてΔTon – ΔToff をすることで時間相関のある事象だけを取り出すことができる．今回はΔTon の区間

4.

バックグラウンド排除能力の評価を 2μs から 100μs，ΔToff の区間を 202μs から 300μs とした．また先発信号と後発信号のエネルギー

4.1 評価方法

スペクトルはそれぞれ図 6 と図 7 のようになった．

先行研究の PANDA 実験のより S/N = 1/100 とい

先発信号と後発信号のエネルギースペクトルについう結果が得られている．この結果をもとに試作機でてΔTon とΔToff の両方で 3000keV 以下に環境ガンマ測定したバックグラウンドについて波形弁別により線である 40K と 208Tl の事象が見られる．環境ガンマ

高速中性子事象を排除した際の S/N の値で評価を行

線による事象は，2 つの事象が偶然遅延同時計測のなった．

時間差内で反応した偶発背景事象でない限り，時間4.2 実験に使用した試作機ースペクトルでは排除されていることが確認できた。

相関がないため，ΔTon – ΔToff をした際のエネルギ実験には 8L の Gd 含有液体シンチレータを試作

偶発背景事象を排除するため先発信号のエネルギー機として使用した．使用した液体シンチレータの構を 2000keV から 10000keV，後発信号のエネルギー

成は，溶媒として LAB，第一溶質として PPO，第二を 3000keV から 9000keV の領域の事象について遅溶質として Bis-MSB，添加物として，遅延同時計測延同時計測を行った．

を行えるようにするために中性子捕獲断面積の大き
い Gd と液体シンチレータに波形弁別能力を与える
Ultima Gold-F を使用した．液体シンチレータを入れる容器として図 4 のアクリル製の 20cm×20cm×20cm の立方体容器を使用した．また反射材としてデュポン社製のタイベックシートを容器全体に張り付け使用した．測定時には，アクリル容器の両側に浜松ホトニクス社製の光電子増倍管をつけ、アルミのケースに入れて遮光し，測定を行なった．

図5

図4

2 事象間の時間分布

試作機に使用したアクリル容器

4.3 遅延同時計測による 2 事象間の時間差の確認
初めに試作機を用いて遅延同時計測ができるかの

図6

先発信号のエネルギースペクトル5

図7

後発信号のエネルギースペクトル

図9

図 8 の 2 次元ヒストグラムの縦軸 Qtail/Q を2000keV から 10000keV の領域で射影した
ヒストグラム4.4 波形弁別能力の確認
次に波形弁別能の確認を行った．遅延同時計測に
よりΔTon – ΔToff を行い，時間相関のある事象かつ対応する後発信号が 3000keV から 9000keV の領域にある先発信号の事象について縦軸を Qtail/Q、横軸をエネルギーとした 2 次元ヒストグラムで表すと図8 のようになった．Qtail/Q が 0.15 付近の事象が中性子による事象で 0.1 付近の事象がガンマ線による事象である．この先発信号の 2 次元ヒストグラムについて 2000keV から 10000keV の領域で縦軸の Qtail/Qを射影した際のヒストグラムが図 9 のようになった．
ガンマ線による事象が実際にニュートリノを測定する際の先発信号の事象となるので，ガンマ線による事象をガウス分布で Fit を行った．この際に得られたガウス分布のパラメータであるμとσを用いて、ガ ン マ 線 の 事 象 が 95% 以 上 残 る μ + 2 σ で あ る
Qtail/Q = 0.11 を中性子による事象をカットする際のカット位置とした．

5.

結果

福井大学の敦賀キャンパスの実験室でバックグラウンド測定を行なった．近くに原子力発電所などがないため取得した事象は原子炉由来のニュートリノ事象でなく，全てバックグラウンドによる事象とした．
測定したバックグラウンド事象について遅延同時計測を行い，先発信号の時間相関のある事象について縦軸 Qtail/Q，横軸をエネルギーとした 2 次元ヒストグラムで表すと図 10 のようになった。縦軸の Qtail/Qを射影した際のヒストグラムが図 11 のようになり，
5.4 で決めたカット位置である Qtail/Q = 0.11 より右の事象を高速中性子による事象として排除することで高速中性子事象を含むバックグラウンドによる事象を 62%排除することができた ． 先行研究である
PANDA 実験が遅延同時計測を行った後の S/N がS/N = 1/100 になるのに対して、今回作成した試作機
は、S/N = 1/38 という結果が得られた．

図8252

Cf 測定における先発信号の 2 次元ヒストグ

ラム

図 10

バックグラウンド測定における先発信号の2 次元ヒストグラム

6のエネルギーを 3000keV から 9000keV とし，高速中性子事象のカット条件として Qtail = 0.11 右の事象を中性子による事象とした．
試作機のバックグラウンド排除能力を評価するた
め実際にバックグラウンドを測定した．結果として波形弁別によりバックグラウンド事象が 62%排除することができ，S/N = 1/38 に改善された．
今後は，さらなる S/N 改善のため容器の形状を変えてバックグラウンド排除能力を評価することと今回 行 っ た 波 形 弁 別 法 よ り 弁 別 能 力 の 高 い ShapeIndicator 法[4]による高速中性子事象の排除を行って
図 11

図 10 の 2 次元ヒストグラムの縦軸 Qtail/Q をいく予定である．

2000keV から 10000keV の領域で射影したヒストグラム

参考文献[1] Final Report: Focused Workshop on Antineutrino

6.

結論
現在福井大学では，原子炉から発生する反電子ニュートリノを利用して遠隔から原子炉の運転状態やDetection for Safeguards Applications 28-30
October 2008 IAEA Headquarters, Vienna[．
[2] N. S. Bowden et al., “Observation of the isotopic

核燃料の組成比を監視するニュートリノモニターのevolution of pressurized water reactor fuel using an

研究を進めている．実用化のためには，地上で測定

antineutrino detector”, Journal of Applied Physics

可能，炉の運転に干渉しない，コンパクトで安価で105, 064902 (2009)．

あるといった性能が求められる．
ニュートリノ事象の測定には，逆β崩壊反応を利用し、遅延同時計測を用いることでニュートリノ事[3] Tomoyuki Konno, “Measurement of reactor neutrinos
using plastic scintillator array on the ground”,

象を検出しつつ，時間相関のない事象を排除するこApplied Antineutrino Physics 2019, Guangzhou city,とができる．先行研究より地上で測定する際は、遅China, Dec.7 2019 (presentation)．

延同時計測を用いてもニュートリノ事象に対してバ[4] Yoichi Tamagawa et al., “Alpha–gamma pulse-shape

ックグラウンド事象が 100 倍(S/N = 1/100)であるこ

discrimination in Gd3Al2Ga3O12 (GAGG):Ce3+とが分かっており，さらなるバックグラウンド事象の排除が重要な課題となっている．この遅延同時計

crystal scintillator using shape indicator”, Nuclear

測で排除できないバックグラウンド事象の内訳としInstruments and Methods in Physics Research A 795て偶発背景事象と高速中性子事象の 2 つ大きな割合(2015) 192–195．

を占める。高速中性子事象に対しては、先発信号が中性子による反跳陽子であるため波形弁別により排除することができる．
本研究では，SN = 1/10 を目標とした 1t サイズのGd 含有液体シンチレータの開発を行っており，前段階として 1/100 サイズの試作機を作成し，バックグラウンド排除能力の評価を行った ． 試作機には、20cm×20cm×20cm のアクリル容器と波形弁別能力を有する Gd 含有液体シンチレータを使用した．
試作機の遅延同時計測と波形弁別能力の確認のた
め中性子線源である 252Cf を用いて測定を行った．今遅延同時計測のカット条件について，ΔTon を 2μs
から 100μs，ΔToff を 202μs から 300μs，先発信号のエネルギーを 2000keV から 10000keV，後発信号