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Simulation of the elastic scattering contributions to the NRF-based nondestructive assay of nuclear materials

核物質の核共鳴蛍光「NRF」非破壊分析に対する弾性散乱寄与分のシミュレーション

Omer, M.; 羽島 良一*; Angell, C.*; 静間 俊行*; 早川 岳人*; 瀬谷 道夫; 小泉 光生

Omer, M.; Hajima, Ryoichi*; Angell, C.*; Shizuma, Toshiyuki*; Hayakawa, Takehito*; Seya, Michio; Koizumi, Mitsuo

核種の核共鳴蛍光反応過程で放出される核種固有の$$gamma$$線は、核物質の非破壊検知及び測定の非常に良い方法を提供する。われわれは、$$gamma$$線非破壊検知及び測定に関連する技術を開発している。核共鳴蛍光反応をシミュレートするモンテ・カルロコードは非破壊測定装置の設計及び評価において不可欠なものである。われわれは、そのため、Geant4コードをベースとするシミュレーションコードNRFGeant4を開発している。核共鳴蛍光反応実験においては、一般に高濃度測定対象物が使われる。この場合は核共鳴蛍光反応$$gamma$$線が強く、測定しやすいためである。それに対して実際の状況では、測定したい(興味のある)核種が小さい組成比でしか含まれていないことがある。このような状況では、核共鳴蛍光反応$$gamma$$線の測定が、他の反応(例として、(核共鳴反応と同じような)弾性散乱)からの影響を受けて困難となる。例えば、典型的な核燃料のペレットは90%程度の$$^{238}$$Uを母材として含むが、測定対象として興味のある$$^{239}$$Puは約1%以下の割合でしか含まれていない。このような場合、$$^{239}$$Puからの核共鳴蛍光$$gamma$$線の測定においては、$$^{238}$$Uの弾性散乱からの強い$$gamma$$線バックグランドが発生することとなる。それゆえ、母材の弾性散乱($$gamma$$線)強度を評価することは、測定しようとする(興味のある)核種の正確な測定においては不可欠なこととなる。現段階においては、弾性散乱の満足のゆく評価は(ある計算を除いて)できていない。われわれのこの研究では、弾性散乱事象を取込むように、シミュレーションコードの高度化を行っている。

Isotope-specific $$gamma$$-rays emitted in the nuclear resonance fluorescence (NRF) process provide a good technique for a non-destructive detection and assay of nuclear materials. We are developing technologies relevant to $$gamma$$-ray nondestructive detection and assay utilizing NRF. A Monte Carlo code to simulate NRF process is necessary for design and evaluation of NDA systems. We are developing NRFGeant4, a Geant4-based simulation code, for this purpose. In NRF experiments, highly-enriched targets are generally used such that the NRF signals are dominant and easily measured. In contrast, a real situation may involve very small contents of isotopes of interest. This results in a difficulty in measuring NRF signals because of the interference with other interactions, e.g. elastic scattering. For example, a typical nuclear fuel pellet contains about 90% of $$^{238}$$U as a host material and less than 1% of $$^{239}$$Pu as an isotope of interest. When measuring NRF of $$^{239}$$Pu, there would be a huge background coming from the elastic scattering of $$^{238}$$U. Therefore, an estimation of the elastic scattering with the host material is essential for precise determination of isotope of interest. Satisfying estimation of elastic scattering is currently not available except for some calculations. In the present study, we upgrade our simulation code to include the calculation of elastic scattering events.

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