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報告書

The States of the art of the nondestructive assay of spent nuclear fuel assemblies; A Critical review of the Spent Fuel NDA Project of the U.S. Department of Energy's Next Generation Safeguards Initiative

Bolind, A. M.*; 瀬谷 道夫

JAEA-Review 2015-027, 233 Pages, 2015/12

JAEA-Review-2015-027.pdf:30.21MB

米国エネルギー省/国家安全保障庁の次世代保障措置イニシアティブ(NGSI)での「使用済み燃料非破壊測定プロジェクト」で検討されている14の最新の使用済み燃料集合体非破壊測定(NDA)技術手法に関する調査研究成果を報告するとともに、このNDAの精度の観点からの議論と批評を行う。この報告書では、現在提案されているNDA方法に関する主たる問題である測定結果の大きな曖昧さ(誤差)が、第一義的には独立な測定手法で行っていないことから発生していることを示す。この報告書では筆者らは、NDA結果を改善するためには、NDAの物理量が3次元構成となっているため、少なくとも3つの独立したNDA手法が必要であることを示す。

論文

JAEA development programmes of advanced NDA technologies for nuclear materials

瀬谷 道夫; Bolind, A.; 小林 直樹; 羽島 良一; 呉田 昌俊; 曽山 和彦; 中村 仁宣; 原田 秀郎

Proceedings of International Conference on Nuclear Security; Enhancing Global Efforts (CD-ROM), 12 Pages, 2014/03

核不拡散・核セキュリティ総合支援センターは、原子力機構内の幾つかの部門と協力しつつ、以下の先進核物質非破壊測定技術の基礎技術開発を実施している。(1)レーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線(大強度単色$$gamma$$線)を用いる核共鳴蛍光NDA技術、(2)ZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータによる$$^{3}$$He代替中性子検知技術、(3)中性子共鳴透過分析と中性子共鳴捕獲分析を組合せた中性子共鳴濃度分析技術。これらの技術は保障措置ばかりではなく、核セキュリティ分野での核物質の検知にも使えるものである。この論文では各技術に関する技術開発概要と幾つかの適用案を紹介する。

論文

JAEAが実施している核セキュリティ及び保障措置のための先進技術開発プログラムの概要

Bolind, A.; 瀬谷 道夫

核物質管理学会(INMM)日本支部第34回年次大会論文集(インターネット), 10 Pages, 2013/10

原子力機構が実施中の核セキュリティ及び保障措置のための先進的な核物質測定・検知技術の進展の概要を紹介する。これらは核不拡散・核セキュリティ総合支援センター(ISCN)を通じて行われている。その一つとして、$$^{3}$$He代替の中性子検知物質となるZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータの開発とそれを利用するNDA装置の開発を進めている。原子力機構は、ZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータ利用NDA装置と$$^{3}$$He利用NDA装置との比較実証試験を行う準備を進めている。核共鳴蛍光散乱(NRF)プログラムは、使用済み燃料集合体及び溶融核燃料デブリ中の核物質同位体検知及び測定するNDA技術としてのNRFの開発を進めている。中性子共鳴濃度分析法(NRD)プログラムは、溶融核燃料デブリを測定する、開発中の同様なNRDである。この1年間、原子力機構は、海外のパートナーと密接に協力し、いくつかの重要なNRFとNRD実験を行い、NRF及びNRD理論とコンピューター・シミュレーションコードを改善してきた。さらに、US.DOE(LANL)との共同研究として進めているふげん使用済燃料を対象とするPNAR+SINRD装置の測定試験の進展についても紹介する。

論文

A Proposal for integrating the PNAR, CIPN, and total $$gamma$$-ray techniques for the non-destructive assay of used nuclear fuel assemblies

Bolind, A.

核物質管理学会(INMM)日本支部第34回年次大会論文集(インターネット), 2 Pages, 2013/10

この論文では、使用済みLEU及びHEU燃料集合体を分析するための、2つの中性子を基本とする非破壊測定(NDA)技術及び1つの$$gamma$$線NDA技術を統合することを提案している。2つの中性子技術は、PNAR(passive neutron albedo reactivity)法とCIPN($$^{252}$$Cf interrogation with prompt neutron detection)法である。$$gamma$$線技術は全$$gamma$$線測定である。2つの中性子技術は、数学モデルによって統合され、一方、$$gamma$$線技術の統合は実証によるものである。3つの独立した物理的性質の測定方法を統合することにより、提案された方法は、明確な同位体組成比を解するための要件を満足する。

論文

原子炉過酷事故で発生した溶融燃料デブリの計量管理に対する基礎的なNDA技術開発

瀬谷 道夫; 原田 秀郎; 北谷 文人; 小泉 光生; 土屋 晴文; 飯村 秀紀; 呉田 昌俊; 高峰 潤; 羽島 良一; 早川 岳人; et al.

核物質管理学会(INMM)日本支部第34回年次大会論文集(インターネット), 10 Pages, 2013/10

東京電力福島第一原子力発電所事故のような過酷事故で溶融した核燃料が生成されている原子炉は、健全な原子炉のようにアイテム(燃料集合体)として燃料が取り扱われるアイテム施設に分類することはできない。取り出す溶融燃料は、色々な形状のデブリとなるため、測定等により核物質量を同定する必要があるバルク施設に分類した方が妥当である。本稿では、溶融燃料取り出し時の形態について説明するとともに、溶融燃料を精度よく測定するNDA技術として2つの方法を紹介する。その一つが中性子共鳴濃度分析法(NRD: Neutron Resonance Densitometry)であり、これは粒子状デブリを対象とする方法である。もう一つが大強度単色$$gamma$$線核共鳴蛍光法(LCS$$gamma$$-NRF: Laser Compton Scattering $$gamma$$-rays - Nuclear Resonance Fluorescence)であり、これは切出し形状、小石状デブリを対象とする方法である。また、これらの技術の基礎技術開発の状況についても紹介する。

論文

Rehearsal and actual measurement of Fugen spent fuel assemblies by integrated PNAR and SINRD under the JAEA-USDOE collaboration program

林 健太; 中村 孝久; 高城 久承; 堀江 薫; 中山 保; 橋本 和彦; 林 省一; 中村 信二; 竹中 茂樹; 石塚 信男; et al.

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2013/07

新型転換炉ふげんは福井県敦賀市にある重水減速沸騰軽水冷却型原子炉の原型炉である。ふげんは2003年3月に運転を終了し、現在は廃止措置(解体)段階にあるが、その使用済燃料貯蔵プールにはMOX及びUO$$_{2}$$の使用済燃料が存在する。ふげんは原型炉であることから、使用済燃料貯蔵プールでの燃料取扱には柔軟性があり、使用済燃料にかかわる各種の測定試験を行うことができる。そのような特徴を活かして、JAEAとU.S.DOE(LANL)は、統合PNAR・SINRD装置によるPu量の非破壊測定試験を2013年6月末より実施する。本発表では、JAEA/USDOE共同研究PAS24において、ふげんで実施したPu-NDA装置(統合PNAR+SINRD)によるふげん使用済燃料の実測定及び、事前に実施したリハーサルの試験結果等について報告する。

論文

A Summary of JAEA's R&D programs for advanced technologies for nuclear security and safeguards

Bolind, A.; 瀬谷 道夫

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 9 Pages, 2013/07

原子力機構(JAEA)が実施中の核セキュリティ及び保障措置のための先進的な核物質測定・検知技術の進展の概要を紹介する。その一つとして、$$^{3}$$He代替の中性子検知物質となるZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータの開発とそれを利用するNDA装置の開発を進めており、ZnS/B$$_{2}$$O$$_{3}$$セラミックシンチレータ利用NDA装置と$$^{3}$$He利用NDA装置との比較実証試験について述べる。また、レーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線(大強度単色$$gamma$$線)による核共鳴蛍光散乱反応を利用する測定技術の基礎実証(大強度単色$$gamma$$線の発生実証等)計画の進展についても紹介する。中性子共鳴透過分析法(NRTA)と中性子共鳴捕獲分析法(NRCA)を組合せる中性子共鳴濃度分析法(NRD)の開発状況について、JAEA-JRC(INMM)との共同研究も含めて紹介する。さらに、JAEA-USDOE(LANL)との共同研究として進めているふげん使用済燃料を対象とするPNAR/SINRD装置の測定試験の進展についても紹介する。

論文

A Summary of the use of the BIC set to characterize used nuclear fuel assemblies for the purpose of nondestructive assay

Bolind, A.

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2013/07

この論文は、使用済燃料を対象とする非破壊測定において、使用済燃料の特徴として、燃焼度(Burn-up)、初期濃縮度(Initial Enrichment)、冷却時間(Cooling Time)(これらを総称して「BICセット」)という量が必要であり、かつ十分であることの検証を紹介するものである。このことは長年認識されてはいたが、筆者はこのことに関して原点に立ち返って検証した。BICセット情報は使用済燃料を特徴づけるものであり、この情報が、使用済燃料中の核分裂性同位体核種の測定のためにどの技術の統合を行わなければならないかを決定するものである。また、BICセット情報の限度も明らかであり、それに依存するNDA技術の限界も明らかとなる。筆者はこれらについて紹介する。

論文

A Proposed method for integrating the PNAR, TN, and CIPN techniques for the non-destructive assay of used nuclear fuel assemblies

Bolind, A.

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2013/07

米国DOEが進めているNGSIでの「使用済燃料のNDAプロジェクト」では、プルトニウム及びウランの核分裂性核種量の測定を目指して、14の測定技術についての検討を進めている。これらの測定技術の中に、PNAR(Passive Neutron Albedo Reactivity)法、TN(Total Neutron counting)法、CIPN(Cf-252 Interrogation Prompt Neutron detection)法が含まれているが、これらの技術は、核分裂性核種による中性子増倍という同じ物理現象を基礎としているため、互いに独立的ではなく、燃焼度,初期濃縮度,冷却時間等の他の情報が与えられないと、核分裂核種を測定するうえでの有効な統合ができない。筆者はこの問題を解決する有効な方法を提案しており、その概要について発表するとともに、保障措置にどのように使えるかについて紹介する。

論文

Development of basic NDA technologies for nuclear material accountancy of debris of melted fuel formed in severe accidents

瀬谷 道夫; 原田 秀郎; 北谷 文人; 小泉 光生; 土屋 晴文; 飯村 秀紀; 呉田 昌俊; 高峰 潤; 羽島 良一; 早川 岳人; et al.

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 9 Pages, 2013/07

原子炉過酷事故により起こる溶融燃料の発生は、原子炉をアイテム施設ではなく非アイテム施設に分類させることになる。溶融燃料の原子炉からの取出しを考えると、核物質を含む溶融燃料がバルク状態で扱われるバルク施設とみなされることも考えられる。バルク施設においては、核物質の計量管理が保障措置の基本である。この論文では、溶融燃料デブリに関する分類と計量管理の観点からのNDA技術の選定について紹介する。これらのNDA技術として、粒子状溶融燃料デブリに対する中性子共鳴濃度分析法及び小石状あるいは切出し溶融燃料デブリに対するLCS$$gamma$$線によるNRFを使うNDA技術について報告するとともに、現在実施中のこれらの技術に関する基礎技術開発状況及び近い将来の計画について紹介する。

論文

Categorization of the main techniques of neutron coincidence/multiplicity analysis

Bolind, A.

Proceedings of 35th ESARDA Annual Meeting (Internet), 17 Pages, 2013/05

原子炉ノイズ分析法と保障措置のための中性子同時計数/中性子多重度分析法は、ともに時間的にランダムではないまとまった中性子群を調べるものである。これらの分析は各々の核分裂から同時に放出される幾つかの中性子に起因する現象に関するものであり、それらはまた一連の核分裂連鎖反応にも関連している。このような物理的起源が同じである中性子を用いる多数の分析方法が、それほど比較されてはいない。この論文はこの比較を行うものであり、第一儀的にはある分析方法が複数の中性子を検出する確率(あるいは条件確率)に依存するか否かを調べることでそれを行う。また、それらの方法について時間スケールあるいは連鎖反応をどのように取り扱うか等、他の比較も行う。ロッシアルファ・ダイアグラムの時間的起源やモーメントを取る等の精緻な問題にも触れる。なお、この論文では装置については特段触れずに、計数原理と物理的理解について焦点を当てるものとする。

論文

Promising NDA technologies for material accountancy of nuclear material in debris of melted fuel of Fukushima-Daiichi NPP

瀬谷 道夫; 原田 秀郎; 北谷 文人; 小泉 光生; 土屋 晴文; 羽島 良一; 早川 岳人; 静間 俊行; Angell, C.; Bolind, A.

Proceedings of 35th ESARDA Annual Meeting (Internet), 9 Pages, 2013/05

原子力機構がその基礎的な技術の実証を行っている、福島第一原子力発電所の溶融燃料中核物質計量管理のための有望な2つのNDA技術について、このセッションのイントロとして発表する。その一つは、粒子状デブリを対象とする中性子共鳴濃度分析法で、これは中性子飛行時間分析を使用する中性子共鳴透過分析法と中性子共鳴捕獲分析法をベースとする方法である。原子力機構とJRC-IRMMは2012年5月からこの方法に関する共同研究を実施している。この論文では、中性子共鳴濃度分析法について粗く紹介するが、このセッションの他の論文ではそれについて詳しく紹介する。もう一つは、レーザー・コンプトン散乱$$gamma$$線(LCS-$$gamma$$)を用いて切出し形状、小石状の溶融燃料デブリ中の核物質を分析する方法である。ここでは、LCS-$$gamma$$による核共鳴蛍光反応を利用する方法の溶融燃料デブリへの適用について粗く紹介する。このセッションの最後の2編では、エネルギー回収型リニアック(ERL)とレーザー蓄積装置をベースとする大強度の単色エネルギー$$gamma$$線発生実証と測定法について詳しく紹介する。

論文

HCM12A oxide layer investigation using scanning probe microscope

菊地 賢司*; Rivai, A. K.*; 斎藤 滋; Bolind, A. M.*; 小暮 亮雅*

Journal of Nuclear Materials, 431(1-3), p.120 - 124, 2012/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:42.4(Materials Science, Multidisciplinary)

450$$^{circ}$$C-500$$^{circ}$$C, 5,500時間の鉛ビスマス中で形成されたフェライト・マルテンサイト鋼HCM12Aの酸化物層を走査プローブ顕微鏡(SPM)により観察した。EDX観察の後、走査プローブ顕微鏡を用いて、酸化物層と母材部を表面電位モードと位相遅れ測定により解析した。従来、酸化物層の形成機構は、高温の鉛ビスマスに対して耐食性を持つことが期待される酸化物の安定性を理解するため、元の母材表面位置、酸素の移動経路及び鉄の拡散といった観点から研究されてきた。本研究における新しい発見は、微細構造観察モードでは見えない(FeCr)$$_{3}$$O$$_{4}$$とFe$$_{3}$$O$$_{4}$$の境界が表面電位モードでは検出できたことである。スピネル層は低表面電位として母材領域と区別できるが、スピネル層とマグネタイト層の境界付近では、表面電位は境界線に相当する細い経路を除き、連続であるように見える。また、微細構造観察モードでは見えなかった、スピネル層とマグネタイト層を貫通している帯状構造が見つかった。

論文

統合PNAR/SINRD装置による「ふげん」使用済燃料プルトニウム量の測定試験準備状況について

片野 好章; 江原 里泰; 高城 久承; 中村 孝久; Bolind, A.; 瀬谷 道夫

核物質管理学会(INMM)日本支部第33回年次大会論文集(インターネット), 10 Pages, 2012/10

新型転換炉「ふげん」は、重水減速沸騰軽水冷却圧力管型の原型炉である。「ふげん」は2003年3月に運転を終了し、現在は廃止措置段階にあるが、燃料貯蔵プールには使用済MOX燃料を保有しており、燃料の非破壊測定(NDA)試験を柔軟に実施することが可能である。原子力機構と米国ロスアラモス国立研究所(LANL)は、統合PNAR/SINRD(Passive Neutron Albedo Reactivity/Self-Interrogation Neutron Resonance Densitometry)装置によるNDA試験を2013年に「ふげん」において行うことを計画し、現在、LANLでは統合PNAR/SINRD装置の設計・製作を、原子力機構では試験の準備を実施している。NDA試験のための準備において、特に、試験条件等を規制、安全基準に合致させることは、商業用軽水炉における同様なNDA測定に向け重要な教訓になるものと考えられることから当該試験の準備の実施状況について報告する。

論文

日本原子力研究開発機構における保障措置・核セキュリティにかかわる先端技術開発計画

Bolind, A.; 呉田 昌俊; 曽山 和彦; 羽島 良一; 原田 秀郎; 中村 孝久; 瀬谷 道夫

核物質管理学会(INMM)日本支部第33回年次大会論文集(インターネット), 10 Pages, 2012/10

日本原子力研究開発機構は、保障措置及び核セキュリティに関する核物質計測及び検知にかかわる先端技術開発の4つのプログラムを進めている。最初のテーマでは、$$^{3}$$He(比例計数管)の代替としてZnSセラミックシンチレータ中性子検出器を利用した非破壊分析(NDA)システムを設計するとともに、シミュレーションを実施した。二つ目のプログラムである核共鳴蛍光(NRF)を利用した核分裂性物質のNDAの基礎実証について、平成23年度より、プローブとして使う大強度単色$$gamma$$線の発生実証を行うため、高エネルギー加速器研究機構のエネルギー回収型リニアックに接続する電子周回軌道部の製作を開始し、24年度に周回部を完成させる予定である。また、NRF反応をシミュレーションするコードの検証作業をJAEA・DOE共同研究として開始した。3つ目のプログラムは、24年度新規に開始したもので、中性子共鳴透過分析(NRTA)と中性子共鳴捕獲分析(NRCA)を組合せた、粒子状デブリ中の核物質を測定する新しいNDAシステムの開発であり、そのプロトタイプの設計・製作に着手した。4つ目のプログラムは、2013年、ふげんの使用済み燃料を使用して行う新しいNDA装置(ロスアラモス研究所設計・製作)の測定実験であり、これまでに測定の手順等を詳細にまとめた。このNDA装置は、自発中性子反射反応度法(PNAR)と自発中性子共鳴濃度分析法(SINRD)が統合された測定法を採用している。

論文

原子炉過酷事故で生成した溶融燃料中の核物質非破壊測定技術の適用性研究と開発

瀬谷 道夫; 原田 秀郎; 北谷 文人; 小泉 光生; 土屋 晴文; 飯村 秀紀; 呉田 昌俊; 高峰 潤; 羽島 良一; 早川 岳人; et al.

核物質管理学会(INMM)日本支部第33回年次大会論文集(インターネット), 10 Pages, 2012/10

東京電力福島第一原子力発電所事故のような原子炉過酷事故で発生した溶融核燃料中の核物質を非破壊で精度よく測定する技術として、中性子共鳴濃度分析法(NRD: Neutron Resonance Densitometry)と大強度単色$$gamma$$線核共鳴蛍光法(LCS $$gamma$$-NRF: Laser Compton Scattering Gamma-rays - Nuclear Resonance Fluorescence)の適用性研究とその開発について説明する。溶融核燃料の取出し時の形態として、粒子状デブリと切出し形状(小石状,円柱状,板状等)デブリに分けられるが、中性子共鳴濃度分析法は粒子状デブリを対象とする方法として、また、大強度単色$$gamma$$線核共鳴蛍光法は切出し形状(小石状,円柱状,板状等)デブリを対象とする方法として、他の非破壊分析方法と比較した場合の優位性を議論するとともに、将来の開発構想についても紹介する。

論文

核燃料の中性子非破壊測定技術の理解のための物理学の本質

Bolind, A.; 瀬谷 道夫

核物質管理学会(INMM)日本支部第33回年次大会論文集(インターネット), 12 Pages, 2012/10

2008年から米国エネルギー省のNGSI(次世代保障措置イニシアティブ)では、使用済み核燃料中のPuの直接非破壊測定という観点で、非破壊測定技術について研究開発を進めている。NGSIで検討されている14の技術のうち、10の中性子測定技術は核分裂性物質含有量等を決定するものである。これらの10の技術は、測定に利用する中性子の特性に応じて分類することができる。5つの技術は核分裂性物質による中性子増倍を測定し、3つは核分裂性同位元素中の共鳴反応に関する中性子エネルギースペクトルを分析し、2つは核分裂で放出される中性子の同時計数を行うものである。これらの原理に関する基本的な知識は、これらの技術を理解するために不可欠である。本稿はこれをまとめたものである。

論文

A Collection and distillation of the important physics for understanding, interpreting, and evaluating neutron-based non-destructive assay techniques for nuclear fuel

Bolind, A.; 瀬谷 道夫

Proceedings of INMM 53rd Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2012/07

米国エネルギー省のNGSI(次世代保障措置イニシアティブ)では、多数の非破壊測定技術について新しい観点で研究開発を進めている。NGSIで検討されている14の技術のうち、10の中性子測定技術は核分裂性物質含有量等を決定するものである。これらの10の技術は、測定に利用する中性子の特性に応じて分類することができる。5つの技術は核分裂性物質による中性子増倍を測定し、3つは核分裂性同位元素中の共鳴反応に関する中性子エネルギースペクトルを分析し、2つは核分裂で放出される中性子の同時計数を行うものである。これらの原理に関する基本的な知識は、これらの技術を理解するために不可欠である。本稿はこれをまとめたものである。

論文

The JAEA part of the joint JAEA-U.S. DOE project for Pu measurement of Fugen spent fuel assemblies by integrated PNAR and SINRD

江原 里泰; 片野 好章; 中村 孝久; 高城 久承; Bolind, A.; 瀬谷 道夫

Proceedings of INMM 53rd Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2012/07

新型転換炉ふげんは福井県敦賀市にある重水減速沸騰軽水冷却型原子炉の原型炉である。ふげんは2003年3月に運転を終了し、現在は廃止措置(解体)段階にあるが、その使用済燃料貯蔵プールにはMOX及びUO$$_{2}$$の使用済燃料が存在する。ふげんは原型炉であることから、使用済燃料貯蔵プールでの燃料取り扱いには柔軟性があり、使用済燃料にかかわる各種の測定試験を行うことができる。そのような特性を生かして、原子力機構とU.S.DOE(LANL)は、統合PNAR・SINRD装置によるPu量の非破壊測定試験を2013年に行うことを計画している。現在、LANL側はPNAR・SINRD検出器の設計・製作を行い、原子力機構側は試験のための準備を行っている。本発表では、ふげんにおける同装置の試験実施場所の選定、装置の設置方法や試験手順の検討状況等について報告する。

論文

JAEA development programs of advanced technologies for safeguards and security

Bolind, A.; 呉田 昌俊; 曽山 和彦; 羽島 良一; 原田 秀郎; 中村 孝久; 瀬谷 道夫

Proceedings of INMM 53rd Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2012/07

本発表は、原子力機構・核不拡散・核セキュリティ総合支援センターの保障措置及び核セキュリティに関する4つの核物質計測及び検知にかかわる先端技術開発の進展について紹介するものである。4つのうちの1つはZnSのセラミックシンチレータを材料とする$$^{3}$$He代替中性子検出器開発である。残りの3つのうちの1つは核共鳴蛍光(NRF)による非破壊測定技術開発である。これは、エネルギー回収型リニアック(ERL)をベースにレーザーコンプトン散乱により生成させた大強度の単色$$gamma$$線を入射させて起こす同位体特有の核共鳴蛍光散乱を利用するものである。もう一つのものは中性子共鳴透過分析(NRTA)と中性子共鳴捕獲分析(NRCA)を組合せたもので、粒子状デブリ中の核物質を測定するものである。最後のものは、ロスアラモス国立研究所が開発中の中性子測定をベースとした使用済燃料NDA装置に関するものである。この装置は、自発中性子反射反応度法(PNAR)及び自発中性子共鳴濃度分析法(SINRD)の統合されたものである。この装置は、原子力機構とDOEの共同研究で、「ふげん」にて使用済燃料を利用した測定試験が実施される予定である。

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