宇宙線ミュオン散乱による原子炉イメージング
㈱東芝
宮寺 晴夫

2014年12月3日 放射線計測フォーラム福島© 2014 Toshiba Corporation

内容• イントロダクション– 宇宙線ミュオンとは– ミュオン・イメージング法の歴史– 透過法、散乱法の違い• 福島第一ミュオン透視プロジェクト– 米国ロスアラモス国立研究所にて行った基礎試験• 原子炉模型を用いたデモンストレーション• シミュレーション計算• ミュオン検出器の放射性耐性試験– 東芝－ロスアラモスコラボレーション• 東芝研究炉における技術実証試験• 耐放射線ミュオン検出器システムの開発
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宇宙線• 1912年、Victor Hessが熱気球で飛行中に宇宙線を発見• 宇宙からは高エネルギーの粒子が飛来• 地球の大気と衝突し、原子核反応によりパイオンなどの二次粒子を生成• 短寿命のパイオン (π+、π-)は、ミュオン(µ+、µ-)に崩壊• ミュオンは 2.2ｘ10-6秒と比較的長寿命– 宇宙線ミュオンは高エネルギーで、相対論的な効果で寿命が延び、地上まで生きている粒子も多い– 宇宙線ミュオン、大気ミュオン• 地表に到達する宇宙線の7割がミュオン– 地表では10,000 ミュオン/m2/分

Victor Hess - 1912
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ミュオン• 質量106 メガ電子ボルト（MeV ＝ 106 eV）– 電子の約200倍、陽子の1/9• 電子の仲間– 重く、強い相互作用がないため、高い透過力• 高エネルギー加速器を用いて人工的に大量生成– J-PARC ミュオン科学実験施設、大阪大学 MuSIC– RAL（英）、TRIUMF（カナダ）、PSI（スイス）• 加速器で得られるミュオンビームはエネルギーが数100 MeV (106 eV)⇔ 宇宙線はGeV領域（109 eV）が中心
宇宙線は高い透過力：4 GeVのミュオンで∼7mのコンクリート透過する際、クーロン多重散乱を受ける
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ミュオンイメージング – 透過法• 宇宙線ミュオンを用いたレントゲン撮影による、2次元密度マップ• 透過法： 影を撮影
– 1950年代にE.P. Georgeが坑道の荷重測定に利用– L.W. Alvarez 、ピラミッドの隠れ部屋探査(1970)– 火山への応用 (永嶺：1995 田中：2003)– 溶鉱炉 (永嶺：2005)

K. Nagamine, et al., Nucl. Instr.
and Meth. A 356 (1995) 585.

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ミュオンイメージング – 散乱法• 散乱法： 物質の3次元特定– 9.11後、核爆弾の米国への持ち込みの阻止のため、ロスアラモス国立研究所で開発
K. Borozdin et al., Nature 422, 277 (2003).
C. Morris et al., Science & Global Security 16, 37 (2008).

• ミュオンの散乱角は、原子番号に比例– ウランのような重元素に高感度– 散乱の前後にミュオン軌跡検出器を置き、散乱場所と散乱角を求める– 透過法と比べ一桁良い分解能

検出器

散乱法

検出器

ミュオン多重散乱
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透過法と散乱法の比較

検出器

θ検出器

検出器

透過法：影を撮影

散乱法：物質の3次元特定• ミュオンの高い透過性を利用• フラックスの減衰を測定• 散乱による分解能の劣化• ミュオンの散乱角を測定• 物質ごとに固有の散乱角• 散乱点推定による物質位置特定

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物質識別• 1組のミュオン軌跡検出器で、散乱角（∝放射長2）と透過率（∝エネルギー損失）を測定 ⇒ 両者の組合せで物質識別
dN dN dE
=透過率dx dE dx
2me c 2 β 2γ 2Tmax
δ ( βγ ) dE
2 Z 1 12= Kz−−ln(β2 dx
A β 2 2I2

θ1dN− 22θ 0 dΩ
=2 edθ 2πθ 02

θ0 =14.1 Lpβ X 0散乱角{1K 2Z [Lrad − f ( Z )] + ZL'rad=X0 A}

C. Morris et al., AIP Advances 3, 082128 (2013).
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8核テロのリスク
世界には158万kgの高濃縮ウラン、22万kgの兵器級プルトニウム
核テロによる主要都市への攻撃は、世界にとって最大のリスク

The biggest threat facing this country
is weapons of mass destruction in
the hand of terrorist network.

A potential game changer would be anuclear weapon in the hands ofterrorists blowing up a major
American city.
米国コンテナ全量検査法•

テロ対策強化のため、米国向けの全ての海上コンテナと航空貨物を対象、核物質について積み地港で非破壊検査を義務付け•

宇宙線ミュオンを用いたミュオン散乱法は現実的なソリューション

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9ミュオン散乱法によるコンテナスキャナ

ロスアラモスと共同で、Decision Sciences社がバハマにミュオンコンテナスキャナをインストール
コンテナあたり30 ~ 60秒でスキャン
世界で唯一、製品レベルのミュオン透視技術
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福島第一ミュオン透視プロジェクト
ロスアラモス国立研究所での立上げ• ミュオン散乱法で福島第一原発の炉心状況を解明できないか• 3.11翌週に机上検討を行い、4月に日本政府に提案• 原子炉模型を用いた技術デモ(2011年8月)• シミュレーション検討 (2011 ~ 2012)

K. Borozdin et al., Phys. Rev. Lett. 109, 152501 (2012).
H. Miyadera et al., AIP Advances 3, 052133 (2013).

• 検出器の放射線耐性試験.
(2011 ~ 2012)

東芝－ロスアラモス••••

2012年共同研究開始、日米で提案
耐放射線検出器開発
東芝 研究炉におけるウラン燃料を用いた技術実証試験(2013年夏)
2014年7月、国プロ「原子炉内燃料デブリ検知技術の開発」スタート

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1Fミュオン透視PJの目的
燃料デブリの位置、量を把握が重要●圧力容器内（①、②）と格納容器下部（③）⇒格納容器側部からの取り出し優先度①炉心領域●燃料集合体の損傷状態●狭隘部状態●燃料デブリの密度等の詳細分布⇒取り出し手順や工法の具体化②圧力容器下部③格納容器
圧力容器内部：高放射線場
宇宙線ミュオン観測技術により早期に燃料デブリ分布を把握

下部
観測対象範囲：燃料デブリ位置

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福島第一2号機シミュレーション• GEANT4モンテカルロシミュレーション による実現性検討– GEAN4シミュレーションは業界標準のモンテカルロ

福島第一2号機– 炉心、建屋、圧力容器、コンクリート壁など原子炉の主要構造をモデル化• 宇宙線ミュオン発生コードを作成• 検出器は、建屋前とタービン建屋2Fへの設置を想定– 建屋前検出器は10cm厚鉄板で遮蔽– タービン建屋2Fは線量が低く、遮蔽体なしでも大丈夫の見込み– 検出器のインストール方法など、東芝
にて検討を行っている

FMT 2: 5.5ｘ22ｍ2

FMT 1: 15ｘ9ｍ2

タービン建屋での組立

H. Miyadera et al., AIP Advances 3, 052133 (2013).

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福島第一原発2号機の測定計画
1Fでの測定範囲
WE

炉心部分
西から東へ通過するミュオンを測定
RPV底部分
東から西へ通過するミュオンを測定

２方向のミュオンを検出することにより炉心部分からRPV底部までを測定
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GEANT4シミュレーション結果
0 – 100%溶融コアのシミュレーション結果。90日間の測定に相当。
0%

10%

30%

50%

70%

100%
円錐状に溶融したコア

r = 10cm

15cm20cm

炉心溶融物

50%溶融コア、10 – 150日間の測定に相当。
H. Miyadera et al., AIP Advances 3, 052133 (2013).

10日

20日

30日

宇宙線ミュオン散乱による原子炉イメージング

60日

120日

150日

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ロスアラモスにおける技術デモンストレーション• 福島第一の原子炉とほぼ同程度の分厚い遮蔽体越しに重元素を検出できることを示した– コンクリート 6m厚– 鉛 0.8m厚
燃料棒集合体と同程度の散乱。

• ミニミュオン軌跡検出器を使用– 検出エリア: 1.2 x 1.2 m2• スリーマイル島事故の炉心を模し円錐状の空隙のある炉心を鉛で構築
空隙• 20日間の測定で炉心の空隙の観測に成功•

H. Miyadera et al., AIP Advances 3, 052133 (2013).
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東芝研究炉における技術実証試験• 東芝臨界集合体（川崎市）は、燃料試験に用いられる研究炉。
• ウラン燃料を用いたミュオン原子炉透視を行った。
• 試験は福島第一の1/10の縮小実験。
• ロスアラモスよりミニミュオン軌跡検出器を空輸、1ヶ月の測定を行った。

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実証試験結果
障害物（鉄・コンクリート） 燃料タンク
燃料40cmミュオン検出器１

燃料での散乱を測定
炉心ミュオン検出器2

アーベル変換解析

C. Morris et al., Appl. Phys. Lett. 104, 024110 (2014)

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実証試験のシミュレーション結果
GEANT4 シミュレーションは測定結果と3%以内で一致！

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ドリフトチューブ検出器• ドリフトチューブ：アルミ筒でできたガス検出器
ミュオンがガス中を通過する際電離した電子を芯線で電気信号として検出高い位置分解能（0.4mm）、安価、頑丈
T01
多層ドリフトチューブの情報からミュオン軌跡を求める
T02
1F測定4年分のγ線を照射

T03
T04

T05
T06

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放射線環境下でのドリフトチューブ試験• 福島第一放射線環境でのミュオン検出器の安定動作が鍵• LANL内の福島第一に近い放射線環境の施設で検出器試験
ドリフトチューブ検出器

LANSCE-PSR（ロスアラモス）• 福島第一での検出器試験を実施

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今後の課題• システム試験– 小型システムを用いたγ線照射試験– γ線除去アルゴリズムの改良• 福島ミュオン検出器の試験組立

東芝研究開発チーム

宮寺高倉中山久米– 7m×7m検出器 2基• 福島第一2号機への設置工事計画

杉田（カメラマン）– 2015年度に測定実施• 解析アルゴリズムの改良– ロスアラモス国立研究所との共同開発

宇宙線ミュオン散乱による原子炉イメージング

ロスアラモス・ミュオンチーム© 2014 Toshiba Corporation22

プロジェクトのスケジュール
2014
開発項目

ミュオン検出器システムの開発

1Q

2Q

2015
3Q

4Q

1Q

2Q

2016
3Q

4Q

1Q

2Q

3Q

4Q

Year 1: 検出器開発

ドリフトチューブ検出器
電子回路アルゴリズム
検出器・回路組合せ試験

Year 2: 検出器設置・測定システム試験
福島第一原発2号機の測定

Year 3工法検討・計画
設置工事
測定解析
デブリ分布（最終結果）
検出器撤去

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結論• シミュレーション計算によると、ミュオン散乱法の数か月の測定で、福島第一原発の炉心を~30cm程度の分解能で透視できる• 東芝研究炉にてウラン燃料集合体を用いた実証試験を行い、遮蔽体や燃料棒束など、原子炉の細部までイメージングすることに成功した• ミュオン散乱法は、近いうちに福島第一の損傷状況を明らかにする唯一の方法であろう

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