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Unit1-3 reactor damaged
Unit1,3,4 roof damaged
Fuels in storage pools are safe

2011 March

Unit-4Unit-3Unit-2

Unit-1

7 Apr 2011 Muon Radiographyの第一人者である永嶺氏がKEKに提案し、 高崎氏を中心とするグループが結成
Sept 2011 筑波大が参加 検出器の設計製作を開始
Mar2012－Dec2013 日本原電での観測 (予行観測）
Mar2015ー2017 福島第一１～３号炉の観測

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ミューオンラジオグラフィによる
福島第一原発の透視
筑波大学
原 和彦, 金 信弘, 高田義久, 高橋 優（1）, 橋本就吾（2), 高橋和希（3）,伊藤史哲, 佐藤和之(4)高エネルギー加速器研究機構
鈴木厚人（5）, 永嶺兼忠（6）, 藤井啓文, 髙崎史彦, 林 浩平, 児玉英雄
首都大学
住吉孝行, 角野秀一, 市川星磨

東京大学
山下 了
（1）ＪＡＸＡ、（2）ＮＥＤＯ、（3）（株）東芝、 （4）JAEA、 （5）岩手県立大学、（6）理化学研究所

東京電力、国際廃炉機構

TCHoU研究交流会 2021.6.25

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発表内容
• 宇宙線ミュー粒子とラジオグラフィ• 測定装置＊１• 原電原子炉での実証実験• 福島第一原発（１～３号炉）の観測 ＊２*1 原電のご理解で実証実験が可能になりました*2 東京電力および国際廃炉機構との共同

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宇宙線ミュー粒子とラジオグラフィ
宇宙線ミュー粒子:
大気で発生し、ほぼ一様に降り注ぐ (1Hz/手のひら）重い物質では止まる
高エネルギー成分は貫く
小さなミュー粒子観測装置で大構造物の質量分布が測定できる～X線撮影(radiography)
建物などは貫く応用：
アクセスできない原子炉内部の検査
遠隔にある火山の内部様子
溶鉱炉の隔壁の健全さ検査
観測装置への要求：
ピラミッド内の空隙
ミュー粒子の飛来方向観測（＋時間分解能） ….
設置しやすいコンパクトさ
環境放射線耐性5

シンチレータ検出器層
福島原発の内部を調査する目的で開発←CDF/ILC素粒子実験の技術

MPPC(667pix)
1.3x1.3mm
Scintillator bar （1㎝角）+
波長変換ファイバー(1mmφ)

XY-unitMPPC
Multi pixel
photon counter6

Scintillator bars＋WLS
WLS fiber readout

Sci: 9.7x6x1000
Fiber: 1mmf•

最初のシンチレータ層は板からの切り出し＋溝堀り (Eljen EJ-200)• 3辺白ペイントした20本ごとにまとめて波長変換ファイバーをのせ、白色PETフィルムで表面反射させる（この技術はSSC/CDF用に開発）
波長変換ファイバーは、クラレ製 （Y11)
2重クラッド構造(SSC/CDF用に開発したもの)

ペンキ塗りが大変⇒押出し成型シンチレータ＋TiO2表面処理
組み立て効率向上とコスト低減

New scint/fiber

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プラスチックシンチレータ
Scintillator bar with hole: extruded & TiO2 coatedFermilab: Anna Pla-Dalman et. al.
Light yield was measured using penetrating Sr-90 b-rays

D=75cmMPPCto amp&ADC

Sr-90
5x10MPPCwhite paintto amp&ADC gate

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測定装置@原電XYユニットでミュー粒子の通過位置と飛来方向を測定する。

Fuel Storage Pool
Containment
VesselDetector 2
Point 264m from the core

Detector 2
Point 1

Detector 3
Point 3

9MPPC DAQ System

200 SMB coaxial cables/unit

Timing resolution(1GHz)

Provide biases (~71V) to 200 MPPCs
Look for coincidence of XY planes(single cluster in each allowed)
Clock: 125Mhz →１GHz10Performance of a remotely located muon radiography system to identify theinner structure of a nuclear plant https://doi.org/10.1093/ptep/ptt046

原電原子炉での実証実験：１方向測定
100days

燃料プール内の燃料量の推定

燃料装填位置には水のみ

11Resolution study
Almost projective wall supporting theDryer Separator pool (Depth~13m)
Fitted resolution: 49.1 ± 2.7 cm(expected geometrical resolution=12cm)

Imaging the inner structure of a nuclear reactor by cosmic muon radiography
https://doi.org/10.1093/ptep/ptz040

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原電原子炉での実証実験：3方向測定

燃料プールを1m立法で区画吸収が多い区画を青ln(Nobs/Nexp)>1.35,1.4,1.92/3の測定で青区画⇒緑

Point-3(208days,816kEv)
Point-1(173days,1524kEv)

Point-2(94days,722kEv)

13~0.5mSv/h

福島第一での耐放射線性試験
3層からなる実機と同じシンチレータをFDに持ち込む

10㎝x1mでの測定

同時計数（Compton electron＋accidental）レートのゲート幅依存性: 実際のXY-unitではaccidentalはこの100倍になる(10cm⇒1m幅）

同時計数時のヒット位置相関（X1-Y相関）
複数XY Unitの同時性をとることでさらに減るが7cmFeがデータレートから適切⇒10cmにして3XY-Unitを用いる

14

福島第一原発での観測
福島原発１号機用装置

2015年度

福島原発２、３号機用装置

ミュオン測定装置設置（小型装置，約1m×1m×高さ1.3m）

75㎝
50ｃｍ
1mx1mユニットを3セット使用

2016,17年度

2015

１号炉内燃料デブリ位置把握153観測方向で、燃料装填位置に強い吸収がない
Water pool behindRegion

15.2 m < h < 20.3 m(underneath loading zone)

20.3 m < h < 24.0 m(loading zone)

24.0 m < h < 31m(above loading zone)(a)-(b1)4±25(stat)±32(syst) tons

1±7(stat)±5(syst) tons

32±6(stat)±11(syst) tons

Excess in (a)33±25(stat)±43(syst) tons

22±7(stat)±22(syst) tons*

70 tons expected

https://doi.org/10.1093/ptep/ptaa027* 160tons originallyhttp://www.tepco.co.jp/nu/fukushima-np/roadmap/images1/images2/l160729_08-j.pdf
東京電力ホールディングス
株式会社プレスリリースより

https://doi.org/10.1093/ptep/ptaa137

17

2号機の観測◼ 国プロ「原子炉内燃料デブリ検知技術の開発」にて，原子炉を通過する宇宙線ミュオンの測定により，炉内燃料デブリを検知する技術を開発。
◼ 2号機において平成28年3月～７月にミュオン透過法の測定を実施。
N
写真撮影方向装置設置位置（原子炉建屋西側）

ミュオン測定装置設置（小型装置，約1m×1m×高さ1.3m）

2号機原子炉
建屋（１階断面図）透過率

透過率大（物質なし）

圧力容器

格納容器外周コンクリート

使用済
燃料プール

高さOP[m]

高さOP[m]（測定結果 H28.7.22 時点）
物質量

密度長(g/cc ・m)

圧力容器

格納容器外周コンクリート

使用済
燃料プール

炉心域

炉心域
圧力容器下端圧力容器下端北南ミュオン透過率の評価 水平[m]透過率小（物質あり）

南

北
物質量分布の評価

水平[m]

18

圧力容器下部における物質量分布（圧力容器底部詳細）◼ 圧力容器底部に燃料デブリと思われる高密度物質の影を確認。

（測定結果 H28.7.22 時点）

高さOP（ｍ）※ １ピクセルの大きさ～原子炉断面において約25cm相当

北

水平距離（ｍ）

南

圧力容器下部の構造

統計的手法による圧力容器内の物質量分布評価“Method-1”

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圧力容器

①②
東
③
④

炉心

西

測定装置

シュラウド

①炉心上部
（高さ50cm分）

燃料ほとんど無し

密度長（g/cc・m）◼ シミュレーションと測定されたミュオン計測数の比較により，圧力容器内の物質量の分布を評価。

北

水平（m）

②炉心下部
（高さ50cm分）（測定結果 H28.7.22 時点）④圧力容器底部（高さ50cm分）

北

水平（m）

③圧力容器下部（高さ50cm分）

南

燃料有り

密度長（g/cc・m）

密度長（g/cc・m）

燃料有り
（高密度）

北

燃料有り
（炉心外周部）密度長（g/cc・m）

・シミュレーション評価（燃料無し）
シミュレーション評価（燃料有り，2g/cc）
シミュレーション評価（燃料有り，6g/cc）
測定値を用いた評価

南

水平（m）

南

北

水平（m）

南

20

圧力容器内の物質量の定量評価◼ ミュオン測定結果から圧力容器内の物質量を定量評価➢ ２次元的な測定情報から，原子炉建屋の構造の影響などを考慮し，圧力容器内に存在する物質量を評価＜定量評価結果＞

（A）

③（B）

①（C）

②（測定結果 H28.7.22 時点）

評価結果 [ton]（参考）事故前の物質量※ [ton]① 炉心域（シュラウド内）

約20～50約160（燃料集合体）
約15（制御棒）② 圧力容器底部

約160

合計（①＋②）

約180～210

約210

(参考)
③ 圧力容器上部

約70～100

約80（構造物）

評価結果の不確かさ～数十トン程度

約35（構造物）
水の影響は非考慮※ 設計上の重量。簡便のため，一部考慮していない構造物あり。
また，ミュオン測定は実際には斜めに見上げる方向に測定しているため，正確に一致するものではない。

前後物質を差引く（設計図に基づく）

両隣り分布から前後物質を差引く◼ 定量評価の結果から，燃料デブリの大部分は圧力容器底部に存在していると推定

21

3号炉内燃料デブリ位置把握

Measured weight

Original wt (drawing)

Above fuel loading zone
42 tons37±4(+42-56) tons

In fuel loading zone
14±4±42 tons

Contributions to the systematics

210 tons

Below fuel loading zone
25 tons88±8+76-63 tons

Cosmic muon momentum distribution
Difference of materials in upper region to calculation
Data acquisition (2-plane coincidence required or not)Calculation of overlapping materials from drawings
Estimation of overlapping materials (data subtraction)
Difference of RCV bottom wall estimation to calculation
Region definition (difference for 1-bin displaced regions)
Estimation of materials inside the regions
Total

The fuel loading zone is almost empty

Loading zone

RVC bottom

19.7<y< 23.5m

14.3<y<19.7m±34−21±6±7+21±0±8±3±42±44−21±5±7+60±2±9±6+76-51

2223まとめ◆ 福島第一原発の燃料デブリの状況を把握する目的で、宇宙線ミュー粒子を用いたラジオグラフィ装置を開発建設した。
◆ 東京電力、国際廃炉機構の支援を受け、で１～３号機の観測を行い、燃料デブリの状況に関するはじめての観測に成功した。核燃料はほとんど残らず、2号炉では圧力容器下部に燃料デブリが残っていると推定できる。
◆ ミューオンラジオグラフィにより低角度のミュー粒子フラックスの不定性は大きいものの、燃料デブリ重量に関する情報を得ることができた。

日本原電の原子炉による予行観測は極めて有益であった
あらためて、実験に関するご理解に感謝します。

Detection of on-surface objects with an underground radiography detector systemusing cosmic-ray muons https://doi.org/10.1093/ptep/ptx061

地下からの透視実験

5days L~5m

67days L~17m

KEKの敷地で観測
14days78days

L~5m
L~17m
2m立法の鉄ブロックを地中長Lで測定

地上構造物の密度推定の確度と測定日数24Integrated cosmic muon flux in the zenith angle range for momentum threshold up
to 11.6 GeV/c https://doi.org/10.1093/ptep/ptx164

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前方ミュー粒子フラックスの測定

Flux(tana; pcut) = C pcut-DParameters
applicablerange
p [sr-1s−1cm−2]
q [sr−1s−1cm−2]
mrs

Fit deviations

C(tana) = p + q(tana)mD(tana) = r + s log(tana)Pcut<6.1 GeV/c in
Pcut<3.9 GeV/c in

Pcut<11.6 GeV/c in(2.29 ± 15.74) × 10−5(4.4 ± 3.6) × 10−4
1.80 ± 0.93
0.03 ± 0.20
0.11 ± 0.39

(6.32 ± 0.49) × 10−6(1.60 ± 0.19) × 10−31.33 ± 0.05
(2.7 ± 3.8) × 10−2(–1.0 ± 1.3) × 10−2

Relative : 26%
Normalized: 0.28
182 data points

Relative: 14%
Normalized: 1.26
77 data points