3次元線量拡散予測法の確立と線透過率差を利用した構造体内調査法の開発(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

Establishment of 3-D dose dispersion forecasting method and development of in-structure survey using the transparency difference of each line gamma-ray (Contract research); FY2023 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project

廃炉環境国際共同研究センター; 京都大学*

Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science; Kyoto University*

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所(1F)の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和4年度に採択された研究課題のうち、「3次元線量拡散予測法の確立と線透過率差を利用した構造体内調査法の開発」の令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。我々は核ガンマ線の方向を完全に決定し、光学カメラと同じ全単射によるガンマ線画像(線形画像)が測定できる電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)を実現、今までに世界初の銀河拡散ガンマ線の直接観測及び1Fでは13号炉建屋群を含む1km四方の撮像による約100か所のスペクトル同時測定と敷地全体を覆うスカイシャインの撮像にも成功し、さらには京都大学複合原子力科学研究所の原子炉建屋内の3次元線量測定などの革新的な成果を出してきた。本研究は前研究の成果を基に、(1)サブmSv/h環境での3次元放射性物質飛散検知・予測システムの構築、(2)ETCCのMeV以上のガンマ線撮像能力を生かし透過性の高いCsガンマ線を利用した炉建屋内の3次元透視Cs分布測定法を開発及び1Fの炉建屋周辺からの測定、(3)数mSv/hでの動作を実現し、炉建屋内で同測定法の開発を行う。そのために令和5年度は、シミュレーションに基づくサブmSv環境での軽量遮蔽設計手法の開発及びETCCへの遮蔽を搭載した。同時にJAEAのFRS施設で高線量場を用いて、(1)の遮蔽能力の検証、同時にETCCデータ収集系、画像処理系の検証実験を行う。その結果を反映した改善をETCCに施した後、令和6年3月に1F内の炉建屋群全体を異なる2方向から測定する3次元線量測定を実施した。この測定でETCCの能力の検証と1F全域の3次元線量分布を今後求めていく。また、ETCCで炉建屋を数方向から計測を行い、建屋内部線量のCTスキャンの可能性をシミュレーションで検証、4方向から測定で複数のホットスポットの分布が求められる可能性が出てきた。

The Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science (CLADS), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), had been conducting the Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project (hereafter referred to "the Project") in FY2023. The Project aims to contribute to solving problems in the nuclear energy field represented by the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1F), Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc. (TEPCO). For this purpose, intelligence was collected from all over the world, and basic research and human resource development were promoted by closely integrating/collaborating knowledge and experiences in various fields beyond the barrier of conventional organizations and research fields. The sponsor of the Project was moved from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology to JAEA since the newly adopted proposals in FY2018. On this occasion, JAEA constructed a new research system where JAEA-academia collaboration is reinforced and medium-to-long term research/development and human resource development contributing to the decommissioning are stably and consecutively implemented. Among the adopted proposals in FY2022, this report summarizes the research results of the "Establishment of 3-D dose dispersion forecasting method and development of in-structure survey using the transparency difference of each line gamma-ray" conducted in FY2023. We realized an electron track detecting Compton camera (ETCC) that can measure gamma-ray images (linear images) with the bijective projection. In the "Quantitative analysis of radioactivity distribution by imaging of high radiation field environment using gamma-ray imaging spectroscopy" (hereinafter referred to as the previous project) adopted in FY2018, the 1 km square area including the reactor buildings was imaged at once. In FY2021, 3-D dosimetry in the reactor building of the Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science was carried out, and 3-D imaging of gamma-rays was successfully obtained. This project will build on the results of the previous project to develop a practical 3-D contaminant dispersion detection and prediction system for sub-mSv/h environments. In addition, a 3-D radiographic Cs distribution measurement method inside the reactor building using highly penetrating Cs gamma-rays will be developed. In FY2023, we fabricated a lightweight and highly effective shielding specifically for the TPC of ETCC based on simulations. In addition, by conducting calibration experiments at the FRS facility, we were also able to repair bugs in the signal processing circuit. Those meticulous advance preparations enabled us to successfully conduct a 3-D experiment within 1F in March 2024.