Research Report

ガドリニウム添加に向け改修工事を進める
スーパーカミオカンデ―12年ぶりのタンクオープン
森山 茂栄 もりやま・しげたか
Kavli IPMU 主任研究員

関谷 洋之 せきや・ひろゆき

東京大学宇宙線研究所 准教授、Kavli IPMU 科学研究員

マーク R. ヴェイギンズ Mark R. Vagins
Kavli IPMU 主任研究員（2）前回2006年に行われたタンク内復旧工事以降に故はじめに障した光電子増倍管（総数13,000本中の数百本）の交換。

岐阜県飛騨市神岡町の鉱山中に設置されたスーパーカミオカンデ（以下、Super-K、あるいは SKと略記）は1996年にデータ取得を開始しました。最初の2年間に収集されたデータを用いて、宇宙線研究所長で Kavli IPMUの主任研究員を兼ねる梶田隆章氏が大気ニュートリノ振動の発見により2015年のノーベル物理学賞を受賞しまし。Super-K は宇宙や加速器からのニュートリノの観た［1］、装置内での陽子崩壊事象の探索［3］等、現在で測［2］も世界最高レベルの研究成果を出し続けています。
EGADS プロジェクトの研究開発段階が成功裏に終了しに伴い、スーパーカミオカンデは Kavli IPMU のたこと［4］旗艦実験計画の一つを進めるため、5万トンの純水にガドリニウム（Gd）の化合物である硫酸ガドリニウム100トンして熱中性子とそれを発生させた反電子ニュを添加［5-7］ートリノの検出性能を向上させる準備を進めています。これから開始されるSKのこのフェーズは、正式には SK-Gdと呼ばれています。
図 1に示されるような改修工事のためのタンク内作業が開始されたのは2018年5月31日のことで、それまでの12年間 SK は連続して観測のために運転されてきました。この改修工事には、次の 4 つの主要作業項目があります。
（1）Super-K タンク内の小さな水漏れの修理。

36（3）1996年に Super-K 測定器が完成して以来、内部に蓄積された錆とその他の汚れ全ての除去。
（4）水の全流量を増やして循環精製能力を向上させるため、およびタンク内の流れの向きをより良く制御できるようにするための配管の追加。

2018年10月中旬に測定器タンクに純水の導入を開始し、数千人・日を要したタンクました。現在（2018年12月）
内作業は生まれ変わった測定器の長期にわたる実り多い運転開始を目指し、完了を目前にしています。本稿では、これまで半年に渡って進められてきた波瀾万丈の作業風
景と、ガドリニウム添加の実現により今後 SK に期待される新たな物理について述べたいと思います。

SK-Gd の狙う物理
SK-Gd 計画は、反電子ニュートリノと陽子が反応した際に生成される陽電子と中性子とをいわゆる遅延同時計測法によってより効率よく検出できるようにするSKのアップグレード計画です。ニュートリノを発見したライネスとコワンが使用した手法［8］でもあり、彼らは中性子捕獲原子を用いましたが、私たちは最近の核としてカドミウム（Cd）と同様液体シンチレータによる原子炉ニュートリノ実験[9］Kavli IPMU News No. 44 December 2018

図1

スーパーカミオカンデのタンク内作業（2018年8月18日撮影）。に、Cd の代わりにGd を用います。天然に存在するGd はできます。

熱中性子の吸収断面積が49,000バーンと安定な元素の

図 3 は理論から予想されるDSNB のエネルギー分布を中で最も大きな物質であり、かつ吸収後にカスケード的示しています。フラックス（強度）はモデルによって違いにガンマ線を放出し、そのエネルギーは合計で 8 MeV になります。そのため Gd 添加により、水チェレンコフ測定はありますが、数個/cm2/sec 程度であり、10年間の観測で 3σ レベル以上の有意度で DSNB の検証が可能である器においても中性子を検出できるようになります（図2参と見積もられています。

照）。

反電子ニュートリノの同定は、ニュートリノの到来方向情報を保たない事象を排除することで方向決定精度を向SK-Gd の最大の目的は、過去の超新星爆発からのニュートリノ（超新星背景ニュートリノ supernova relic上させ、私たちの銀河でおこる超新星爆発の検出にも役立つし、中性子検出により「超新星爆発の予知」ができneutrino [SRN] あるいは Diffuse Supernova Neutrinoの世界初検出です。
。この他にも、SK-Gdる可能性も示唆されています［11］Background [DSNB] と呼ばれている）
22–23個もの恒星があります。これらの恒星のうの実現によって、東海-神岡長基線ニュートリノ振動実験
宇宙には10ち太陽質量の 8 倍以上の星は超新星爆発を起こすと考え （T2K）の反電子ニュートリノビーム事象選別や、陽子崩壊られています。放出されたニュートリノは宇宙に拡散して探索時のバックグラウンド低減、（後に述べるようにタンク行きますが、まだ観測されていません。超新星爆発によっの清掃のおかげで放射性不純物が除去できたことによる）て生まれるエネルギーの 99%はニュートリノによって星か太陽ニュートリノ観測でのバックグラウンド低減等、SK でら放出されるため、DSNBを観測することは、超新星爆発遂行してきた実験の感度向上が期待されています。のエネルギーの深い理解に繋がります。また、DSNB は宇宙の始めから今までに起きた超新星爆発から放出されタンクオープン作業
たニュートリノの蓄積なので、宇宙における重い元素の起ここから、タンクオープン作業について詳しく説明し源とその源である大質量星の歴史とについても探ることが37

ResearchReport図2 水チェレンコフ測定器におけるGdによる反ニュートリノ遅延同時計数法の原理ます。図 4 に示すように、ほぼ円筒形の SK タンク内にでしょう。実際に SK タンクには少々の水漏れがありましは、上下面や壁面から2 m の位置に光電子増倍管（以下、た。これまで1日あたり約 1トンの漏れが見られましたが、PMT）を取り付ける構造体（2 重の点線）が存在します。
そこに、内向きに内水槽用の PMT が11,129本、外向きに外水槽用の PMT が1,885本取り付けられています。構造体の内側にはブラックシートと呼ばれる反射を抑えるPET膜、外側にはタイベック反射膜が張られています。ただし、内水槽と外水槽の水は行き来できるため、水面は一致しています。
後出のように水面に浮床と呼ばれる足場を用意し、3日に一度タンクの水を2 m ほど排水します。排水した部分は浮床の上に立つ作業者の手が届くため、その部分の止水工事や、PMTの交換などを行います。この方法は、カミオカンデ時代に小柴昌俊氏が始めた手法で、通常の足場などに比べれば遥かに安価に作業ができる方法として重宝しています。
SK タンクはおよそ直径 40 m, 高さ42 m もある容量5 万トンの水タンクです。側面は高さ2 m, 幅 6 m、厚み4 mm のステンレス板をぐるりと20枚、高さ方向に20枚つなげて作られている20角柱をなしています。底面もステンレス板を張り合わせており、表面積は6,000 m2 以上、溶接線の総延長は 6. 2 km 程にも達します。さらに側面にはボルトの貫通部が3, 200箇所以上、底面にはアンカーのための貫通部が150箇所以上、PMT 1個あたり60 kg の浮力に打ち勝つための埋設物の貫通部が230箇所以上あります。およそサッカー場の広さがある、継いで作ったス
テンレス板に、一滴の水漏れもないとは想像がつかない純水であれば毎分700 cc なので大したことはありません。

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Gd を添加した水にも環境基準は無いのですが、環境に放出することがないよう止水の必要があります。また、大きな地震に備えた溶接部の止水補強が必要です。これが冒頭で述べた目的（1）に相当します。
この止水工事のため、SK では特別なシーラント材を開発してきました。求められた特性は、柔らかく弾力性があり、伸びにも耐えること、純水を汚すことがないこと、長期に渡って純水にさらされても劣化しないこと、ステンレス板に十分な強度で付着できること、ラドンなど放射性不純物を発生しないこと等でした。これらの条件を満たすシーラント材とプライマーの開発そのものには、本稿の限られたスペースではとても説明しきれない長年の努力の積み重ねがありました。
図 5 は、実際の施工時の写真です。溶接線など、止水するべき場所のまわりにはバッカー材とよばれる「土手」を貼り付け、シーラント材は刷毛や左官さんが使うコテなどを使ってバッカー材の厚さまで塗り込みます。塗りは 2層としてあるので、塗作業時にピンホールが開いてもそのまま水が漏れることはありません。
事前に高湿度の環境下でモックアップ試験を行ったた
め、業者の作業に問題はありませんでした。ただしステンレス面が周辺岩盤の温度である摂氏13度程度と冷たい一方、作業スペースは人の熱気や LED 照明の熱、湿度の放出のため苦労することになりました。極端な場合、壁面に

Kavli IPMU News No. 44 December 2018

図3 DSNB の予想されるエネルギースペクトルと他のニュートリノ（原子炉/大気ニュートリノ）との比較。
論文［10］に基づく。

水が凝結し、バッカー材が張れない事態が生じたこともあことができた上、大量の放射性不純物も除去できました。

りましたが、換気や通風を改善することでなんとか乗り切

ゲルマニウム検出器での評価によると、少なくともラジウることができました。

ムは100ベクレル程度除去できました。これから発するラ

特殊な手法で作られているシーラント材は、製造したドン量は PMTから発するラドン量に匹敵するため、今回後時間が経つと粘性が落ちる特性があり、壁面に塗ろうの掃除は今後の太陽ニュートリノ観測のバックグラウンドとすると垂れてしまって作業性が悪くなります。そのため低減に大きく寄与できたと考えられます。

生産の最小ロット量と搬送、消費のペースをうまく作り上（2）の PMT 交換については、これまで実績はあるものげるという地味な問題も解決してきました。排水を行う毎の、PMT 交換により止水作業が遅延しないように進めるに16名程のメンバーで清掃作業を行い、そのあとに10名必要があり、最初からトップスピードでの作業が求められ程の業者の作業員が止水工事を行うサイクルを20回繰りました。特にアメリカグループ担当の外水槽の PMT 交換返すことになりました。

はタンク開放直後の作業立ち上げが難しく、作業遅延のこの間なんといっても苦労したのは、壁面の汚れでし心配もしましたが見事予定通りに完了しました。一方内水た。SK は超純水で20年近く運転してきましたが、タンク槽の PMTの交換は、重量がある上慎重に扱う必要もあり

オープン前に内部の状況を知るのは難しいことでした。推ます。内水槽用の PMT は、2001年に生じたような連鎖測はいろいろありましたが、実際に開けてみると汚れが壁的な破損事故を起こさないために、防爆ケースと呼ばれ面や構造体を覆っていることが判明し、急遽清掃作業のるFRPとアクリルの容器に収めて使用します。PMTの交換増強を行って対応しました。汚れがあると、止水材がステ作業のたびに、早朝タンクを遮光して PMTの動作と電気ンレスに十分付着できず、作業全体が無駄に終わってし的接続を確認しましたが、担当グループは常に時間に追まう可能性があるからです。特にタンク最上部においては、われて苦労しました。

SKの建設工事のうち1994~1995年の作業において避けられなかった排ガスや粉塵の付着が残っていたせいか、布で拭き取ると真っ黒でした。下手な清掃具を用いるとかえってチリを増やし、止水とSKの運転再開後の水質に悪影響を与えるので、研究者が様々な清掃道具を試し、組み合わせ、開発し、清掃を進めました。掃除も大事な研究テーマであると実感したものです。
これらの清掃のおかげで、止水材はしっかり付着する（3）の腐食金属源の撤去の殆どは、上記清掃作業の間に実行できました。タンク内にはステンレス材しかないはずなのに、稀に見つかるサビで覆われていた鉄製のボルト、ナットを除去しました。12年前に使われた鉄製のクランプがタンク内で発見されたこともありました。ステンレスへの「もらい錆」も多数ありました。どんなに錆を除去してもまた出てくると業者から聞かされましたが、できる限りの錆を取るようにしました。そもそも錆の存在は今後

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Research
Report図4 タンク断面の説明図。水を段階的に抜きながら手の届く範囲の作業を進めてゆく。の運転に悪影響があることが懸念されたため、作業に先た上、毎朝毎夕の車での送迎や、そのドライバーの確保立って若い研究者らが様々なツールの調査、検討を重ねなどをシフト担当者が腐心して成し遂げました。てきました。SKの水の透過率はこれまでも高かったので大量のシフト作業者が効率よく作業するために最も苦すが、さらに高い透過率が得られるよう、そしてGd を添労したのはゴンドラの運行です。掃除や止水作業のため、加しても無事に運転できるよう、丁寧に作業を行いました。

外水槽に30名以上の作業者が入る必要がありますが、容外水槽のタイベックシートの取り付けも大きな作業でし量300 kg のゴンドラが1台だけなので、何もしないと長た。内水槽は光の到着時間をもとに反応点を再構成する蛇の列ができます。作業場所が底面に近くなると1往復20ため、反射の少ないブラックシートで覆っている一方、外分かかるため、作業者の種類ごとに入坑、出坑時間をず

水槽は時間情報よりも入射ミューオンの検出効率を確保

らし、業者とかち合わないようにアレンジするのはパズルするため、反射材であるタイベックシートで覆っています。のようでした。

高さ40 m の壁に1 m 幅のシート120枚をゴンドラで順次作業においては作業者の安全確保が第一優先であ引き上げ、隣り合う部分をホチキスで留め、底面には止り、安全教育や注意喚起についても、現地到着前に行水工事後にタイベックシートを敷き込みました。底面作業うe-learning を準備し、シフト開始時にガイダンスを行いは、若手の日本人研究者とアメリカグループのリーダーがました。また、作業者への聞き取りや、毎朝の作業チー協力して進めました。止水作業後のシーラントにダメージ

ムリーダーの打ち合わせで行う安全に関する報告を基に、を与えずに作業するためには、慎重な準備と作業が必要作業環境の改善を続けました。作業者に対しては事故をだったためです。

起こさないよう教育をするだけでは駄目で、気になったこ

これらのシフト数は延べ2,683人となりました。9 月半
ばまで、日曜日を除き毎日総数 40~50名ほどのシフトとエと、起きたことは遠慮せず即座に共有するよう徹底することが重要であると改めて感じさせられました。

キスパート、監督、そして業者が作業を行いました。シフ
トには SK メンバーを中心に、T2K や、次世代大型水チェ
レンコフ実験計画ハイパーカミオカンデ（HK）に属する世純水装置と今後界中の研究者が含まれています。これらに属さないボラン

今回、タンク内の清掃と止水工事、PMT 交換に加え、ティアにも多数協力を頂き、心から感謝しています。このもう一つの大きな改造工事としてタンク内配管を含む水シ間安心して作業できるシフトアレンジ等様々な努力を行いステムを一新しました。SKの純水装置は、当初30 m3/hました。例えば神岡施設の宿舎の室数には限りがあるたの処理能力で給水・循環させることを前提として作られ、め、車で30分程離れた富山市のアパートを数室借り上げ

タンク内の配管も内水槽と外水槽を区別することなく、か40

Kavli IPMU News No. 44 December 2018

図5 外水槽におけるタンク壁面の止水工事の様子。青い浮床の上で作業。右側には口径20 cmのPMT が見えている。

なり「適当」に作られていました。その後2001年の事故ゃんと目で見て確認することの大切さを実感しました。

前後や、2005~2006年の完全再建の際にもタンク内配さて、高純度硫酸ガドリニウム水溶液を製造するだけ管は本質的には改善されず、その後開始された SK フェーズ

なら、ある意味今流行の「機能水」の一種ですので、「○III（SK-III）の途中から純水装置の循環レートは60 m3/hに引き上げられていました。そこで今回の作業に際し、図6 に示すように内水槽、外水槽の配管を切り分けるだけでなく、外水槽の側部、天部、底部をすべて独立に流量を調整できるように改良することにしました。これまで太陽ニュートリノ解析用の有効体積はバックグラウンドとなるラドンの流入によって制限されてきましたが、この改良でタンク内の水の流れの制御と最適化が可能になりました。
ここから得られる知見は HKのデザインにも生かされています。
ところで、タンク内の水位が下がり底面の PMTの隙間から突き出た内水槽給水用の配管が顔を出したところで、衝撃的な事実が判明しました。アクリルでできているはずの12本の配管のうち、中心付近の3 本が実は通常の透明塩化ビニル管でできていたのです。2008年から開始されたSK-IV の解析で、底部の配管に対応する位置にイベントのhot spot が 3 ヶ所あることが分かり、これまで流量バランスが崩れている説や、ラドン源である割れた PMT ガラスが配管に詰まっている説などが唱えられてきましたが、実はラドン放出や放射性不純物が多い「塩ビ」が使用されていたのです。どうも2001年の事故で 3 本の配管が壊れ、その後修理の際、手元にある材料で復旧されたが、2005年の完全再建の時にはこのことが忘れ去られていたようです。改めて、記録して伝承することと、測定器をち○水」同様、超純水に硫酸ガドリニウムを混ぜればよいだけです。ところが SKの純水装置は循環純化方式で、水以外の不純物をすべて取り除くように設計されているため、硫酸ガドリニウムを溶かしてそのまま運用すると必要なイオンまで全部除去されてしまいます。従って、水とガドリニウムイオンと硫酸イオンだけを保ち、それ以外の不純物を取り除く純化装置を開発しなければなりませんでした。
やはり本稿の限られたスペースではその詳細に触れることはできませんが、超純水製造技術を応用して、2014年から小型試験装置を建設して実証実験を行い、2016年
度からSK-Gd 用の新しい装置を建設し、タンクオープン作業と並行して立ち上げ作業を行ってきました。処理流量は120 m3/hとSK-IVまでの純水装置の2 倍で、これに合わせてタンク内配管も増強されています。
さらに今回、これから挑戦することがあります。タンクへの給水はこれまでの超純水製造装置を用いて 30 m3/hの流量で行いますが、満水までは 2.5 ヶ月かかってしまいます。これまではタンクに給水された水は純化されることがなかったため、給水後、水の透過率が改善し観測開始できるまでさらに 2 ヶ月程度かかっていました。そこで新たに建設した純化装置の中身に通常の純水装置用の機能材を投入し、タンク内水循環用の純水装置として運用することで、給水しながら循環させ、満水と同時に観測開

41ResearchReport図6

タンク内の水の流れを改善するため、配管を一新。

始できる透過率を実現させる予定でいます。その後、純化装置の中身を硫酸ガドリニウム対応の機能材へ入れ替え、純水のまま運用して透過率を保持できることを確認します。そして、T2K 実験側とも相談しながら2019年度中に硫酸ガドリニウムの導入を行う予定でいます。

おわりにタンクオープン作業の間、台風や大雨のため作業を中止することが 3 度ありました。その理由は、SK にアクセスする国道が積算雨量120 mm を超えると通行止めになって帰宅不能になるためです。そしてまた深刻なのは停電に伴うSKタンクの破壊の恐れです。SK は坑内の水位レベルより深いところに位置しているため、SKの水を抜くときには SKの周りの水もポンプで排水しています。もし悪天候等による停電でこのポンプが止まると、タンクに外水圧がかかり、タンクを破壊する可能性があります。そのため、電源は別系統を用意し、発電機も用意し、緊急入坑のための段取りも行ってきています。2018年12月までにほぼ満水に近づいていますが、今後大雪で停電が起きないことを祈っています。12月と2019年1月に残りのタンク内作業を行い、その後タンクをクローズし、本作業の完了、そして新たな物理成果を導くデータ収集が、いよいよ始まります。

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[2] The Super-Kamiokande Collaboration, Astrophys.

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