Laser-driven neutron generation realizing single-shot resonance spectroscopy

余語 覚文*; Lan, Z.*; 有川 安信*; 安部 勇輝*; Mirfayzi, S. R.*; Wei, T.*; 森 隆人*; Golovin, D.*; 早川 岳人*; 岩田 夏弥*; et al.

Physical Review X, 13(1), p.011011_1 - 011011_12, 2023/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011011

Neutrons are powerful tools for investigating the structure and properties of materials used in science and technology. Recently, laser-driven neutron sources (LDNS) have attracted the attention of different communities, from science to industry, in a variety of applications, including radiography, spectroscopy, security, and medicine. However, the laser-driven ion acceleration mechanism for neutron generation and for establishing the scaling law on the neutron yield is essential to improve the feasibility of LDNS. In this paper, we report the mechanism that accelerates ions with spectra suitable for neutron generation. We show that the neutron yield increases with the fourth power of the laser intensity, resulting in the neutron generation of in at a maximum, with Wcm, 900 J, 1.5 ps lasers. By installing a "hand-size" moderator, which is specially designed for the LDNS, it is demonstrated that the efficient generation of epithermal (0.1-100 eV) neutrons enables the single-shot analysis of composite materials by neutron resonance transmission analysis (NRTA). We achieve the energy resolution of 2.3% for 5.19-eV neutrons 1.8 m downstream of the LDNS. This leads to the analysis of elements and isotopes within sub-s times and allows for high-speed nondestructive inspection.

Development of a neutron sintillator for a compact NRTA system

伊藤 史哲*; Lee, J.; 弘中 浩太; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 堀 順一*; 寺田 和司*; 小泉 光生

KURNS Progress Report 2020, P. 98, 2021/08

文部科学省補助金事業「核セキュリティ強化等推進事業費補助金」の下、核不拡散技術開発の一環として、レーザー駆動中性子源(LDNS)を用いたコンパクトな核共鳴透過分析(NRTA)システムの技術開発を行っている。NRTAにおいては、パルス中性子源から放出される中性子エネルギーが、飛行時間(TOF)法を用いて測定される。LDNSは、短い飛行距離でも高精度なTOF測定を行うために必要となる、短いパルス幅を持つという特性等から注目されている。短距離TOF測定では、減速材中の水素への中性子捕獲による2.2MeVガンマ線の飛来タイミングと、共鳴エネルギー付近の中性子の飛来タイミングが重なり、大きなガンマ線背景事象が存在することとなる。また、LDNSは発展途上であるため、中性子フラックスが十分ではなく、検出効率の高い検出器を用いることが望ましい。このため、我々は、高エネルギーガンマ線に対する検出効率が低く、かつ高い中性子感度を持つ検出器(多層型中性子検出器)を開発してきた。令和3年度の実験結果の一つとして、多層型中性子検出器が、高エネルギーガンマ線に対して低感度であることが確かめられた。

Operator's contribution on the improvement of RII scheme against the process operation at PCDF

中村 仁宣; 清水 靖之; 牧野 理沙; 向 泰宣; 石山 港一; 栗田 勉; 池田 敦司*; 山口 勝弘*

Proceedings of INMM 57th Annual Meeting (Internet), 9 Pages, 2016/07

日本国の統合保障措置は2004年に、核燃料サイクル工学研究所(JNC-1)においては2008年より導入され、査察業務量の低減及び核物質転用に対する抑止効果を高めることを目的とし、従前の中間在庫検認(IIV)に代わり短時間通告ランダム査察(RII)が導入された。そのRII手法は運転停止中(インターキャンペーン)を想定して設計されたため、運転時は改訂が必要であった。原子力機構では再処理施設の潜在的な安全上のリスクを低減するため、2014年4月よりPCDFの運転(溶液からMOX粉末への転換)を決定したことから、運転と統合保障措置の要件を満足させる最適な査察手法の検討に着手し、検知確率を減らすことなく、査察業務量を増加させることのない新たな査察手法をIAEA及び規制庁に提案した。IAEA等との協議の結果、同提案は受け入れられ、2014年3月に導入することができた。新たな査察手法では、査察日を事前確定型への変更、推定量の核物質を低減、リモートモニタリングデータの提供の実施、運転状態確認査察の改善及び適時性をもった在庫申告等の改善を図った。その結果、在庫情報等の提供に係る業務量は若干増加したものの、統合保障措置における要件とPCDFの運転を両立させることができ、2年間の運転に対する保障措置の効果的かつ効率的な実施に貢献した。

NRTA data processing system: PROMAC-J

猪川 浩次; 井原 均; 西村 秀夫

JAERI-M 93-182, 160 Pages, 1993/09

JAERI-M-93-182.pdf:3.31MB

NRTAデータ処理システムを開発した。本システムは東海再処理工場における実証試験を通してその有効性、実用性及び信頼性が確認されたモデルを基に、最終的な改良を加えた新しいバージョンである。改良の主な点は凡用性の付与にある。本報告書は、システムの利用マニュアルであると同時にNRTAで用いられている統計分析などの数学的基礎についても略述しており、本システムを使用してNRTAを実施する者が他の文献を参照することなく内容の理解をある程度は行えるように配慮してある。尚、本研究はIAEA支援計画(JASPAS)のJB-1 Taskとして実施していたものであり、本報告書はその報告書としても使われる。

NRTAデータ処理システム: PROMAC-J

井原 均; 西村 秀夫; 猪川 浩次

JAERI-M 91-042, 168 Pages, 1991/03

JAERI-M-91-042.pdf:3.51MB

近実時間計量管理(NRTA)は、物質収支区域において、核物質のロスあるいはゲインが起きた場合に、それをタイムリィに、高い確率で探知する事を目的に開発されたものである。本報告書は、再処理施設をモデルとして、施設で採取された計量データの入出力処理、物質収支とその分散計算及び各種の統計手法に基づく検定を行うプログラム(PROMAC-J)について、開発思想、プログラム構成、機能、入出力データを記述すると共に、NRTAデータの統計解析手法についても述べている。PROMAC-Cは、NRTAの実用化を進めるために、実プラントのNRTAデータ処理システムとして開発したものである。このシステムは東海再処理工場におけるNRTAの実証試験において用いられ、実用的であり、定常業務に使用できることが確認されている。

MUFの相関と統計検定の探知感度の関係に関する研究

田村 敏明; 井原 均; 山本 洋一; 猪川 浩次

JAERI-M 89-171, 152 Pages, 1989/11

JAERI-M-89-171.pdf:4.1MB

IAEAの探知目標の一つである適時性を満足し、施設の運転に及ぼす影響を最少にするように考察されたNRTAの基本は観測された時系列MUFデータの統計解析にある。この統計検定には様々な手法が提案されているが、検定結果の信頼性は、時系列MUFに対する分散(MUF)の算出が正確であるか否かに依存する事から、本報告書ではJeackの誤差伝播モデルに基づいたMUFおよびMUFの共分散行列を計算する方法を記述している。又、誤差伝播を正確に取り扱った場合、簡略化(隣接したMUFの相関を考慮)、相関を無視した場合の統計検定に及ぼす影響を大型再処理施設をモデルにしたシミュレーションによって調べた。大型再処理施設の計量特性を明らかにすると共に、累積MUF、MUF残差に対するページテスト等の統計手法におけるMUFの相関が検定に及ぼす影響を定量適に示している。

ニア・リアル・タイム計算管理データの統計的解析手法の開発

井原 均; 西村 秀夫*; 猪川 浩次

第9回核物質管理学会年次大会論文集, p.84 - 89, 1988/00

NRTAは、ロスあるいはゲインが起きた場合にそれをタイムリィに、高い確率で検知することを目的として開発されたものである。その基本は、観測された時系列MUFデータの統計解析にある。この時系列MUFに対する遂次統計検定の信頼性は、各MUFに対するMUF値が正しく計算されているかどうかに依存する。この観点から、測定誤差の伝播を正確に取り扱うMUF共分散マトリックス計算コードを開発し、これを用いて、近年、ヨーロッパ諸国で開発されたMUF残差をページテストで検定するプログラムわ開発した。

Development of a near real time materials accountancy data processing system and evaluation of statistical analysis methods using field test data

井原 均; 西村 秀夫; 猪川 浩次; 三浦 信之*; 岩永 雅之*; 小森 芳昭*

Nuclear Safeguards Technology 1986,Vol.1, p.341 - 352, 1987/00

ニア・リアル・タイム計量管理(NRTA)で得られるデータをミニコンピュータを用いて貯蔵し、かつ処理する実用的なシステムを開発した。このシステムでは保障措置に関係する3機関(IAEA、科技庁、施設)が同一のコンピュータを使用し、かつ基本的な計量管理データを共通のデータベースに保存し共用している。また、データ入力は会話型であるので、システムの取扱いが簡便である。このシステムを用いて、昭和53年以来蓄積されてきたNRTAデータの統計解析を行った。入出力計量に係わるバイアスを推定、未測定在庫の評価を行ってデータを補正し、転用検値感度の解析を行って各種統計検定手法の実用性を検討評価した。また、昭和60年のNRTA実証試験データを用いて、検認活動を模擬するデータ解析を行い、各物質収支ごとに異常を示す徴候がないかどうかを判定した。これらの解析を通じ、開発したシステムの有効性が実証された。

Application of nuclear photonics for nuclear non-proliferation and security

小泉 光生; Lee, J.; 伊藤 史哲*; 高橋 時音; 鈴木 敏*; Omer, M.*; 瀬谷 道夫*; 羽島 良一; 静間 俊行; 余語 覚文*; et al.

no journal, , 

Along with the global increase of use of nuclear materials (NMs), growing requirements are development for new effective characterization methods for nuclear material accountancy and technologies to cope with the threat of nuclear terrorism. Non-destructive Assay (NDA) methods are an efficient, quick, and remote way to detect and quantify nuclear materials (NMs). Passive NDA techniques, which are based on radiation measurement, are conventionally used in accountancy for quantification of NMs and in security for detection and identification of NMs. However, they could not be applied to an object with strong radioactivity or in shielding materials. Active NDA techniques are, therefore, considered to be a breakthrough technique to measure such NMs samples by utilizing interrogation particles (such as photons and neutrons). Induced signals by the incident particles (for example, transmitted neutrons) are measured to deduce sample properties. This report overviews two research programs that utilize nuclear photonics technologies for nuclear non-proliferation and security. The research programs carried out by JAEA under collaborations are supported by MEXT (the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology of the Japanese government) under the subsidy for "promotion of strengthening nuclear security and the like".

レーザー駆動中性子源を用いた中性子共鳴透過分析技術に適用可能な測定システムの開発

小泉 光生; 伊藤 史哲*; Lee, J.; 高橋 時音; 鈴木 敏*; 弘中 浩太; 余語 覚文*; 有川 安信*; 安部 勇輝*

no journal, , 

文部科学省補助金事業「核セキュリティ強化等推進事業費補助金」の下、核不拡散技術開発の一環として、レーザー駆動中性子源(LDNS)を用いた核共鳴透過分析(NRTA)技術開発を行っている。核物質の分析にNRTAに適用するためには、LDNSで発生した高速中性子を、短いパルス幅を維持しつつ、中性子を100eV以下に減速する必要がある。そこで、シミュレーヨンを用い、中性子を減速するモデレーターの形状や素材の検討を進めた。