Neutron resonance fission neutron analysis for nondestructive fissile material assay

弘中 浩太; Lee, J.; 小泉 光生; 伊藤 史哲*; 堀 順一*; 寺田 和司*; 佐野 忠史*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1054, p.168467_1 - 168467_5, 2023/09

https://doi.org/10.1016/j.nima.2023.168467

We propose neutron resonance fission neutron analysis (NRFNA), an active nondestructive assay (NDA) technique, to improve the capability to identify and quantify a small amount of fissile material in a sample. NRFNA uses pulsed neutrons to induce fission reactions in the sample. Fission neutrons are detected by a neutron-gamma pulse shape discrimination (PSD) scintillation detector with time-of-flight (TOF) technique. The obtained nuclide-specific resonance peaks in the neutron energy spectrum provide information to identify and quantify a fissile material in the sample. The possibility of using PSD for NRFNA was confirmed through a test experiment using a natural uranium sample. We successfully observed the resonance peaks from U(n,f) reaction and showed that NRFNA would be useful for measuring a small amount of fissile material in a sample.

Development of training course on non-destructive assay of nuclear material for Asian region, 2; Development of lectures and exercises on gamma-ray measurement

山本 昌彦; 河野 壮馬; 三枝 祐; 久野 剛彦; 関根 恵; 井上 尚子; 野呂 尚子; Rodriguez, D.; 山口 知輝; Stinett, J.*

Proceedings of INMM & ESARDA Joint Annual Meeting 2023 (Internet), 10 Pages, 2023/05

保障措置・計量管理の担当者を対象とした、アジア地域向け「核物質の非破壊測定に関するトレーニングコース(NDAコース)」を開発した。NDAコースの5日間うち、ガンマ線測定パートは2日間を割いて実施した。ガンマ線検出器の基本特性,検出方法,メカニズムに関する講義は、開発したeラーニングにて提供した。また、実習の部分は原子力機構の施設において実施し、参加者は、各ガンマ線検出器のセットアップからウラン及び他のガンマ線放出核種の測定までを行った。また、ウラン235の濃縮度測定も行った。さらに、原子力機構の研究炉であるJRR-3における新燃料集合体の測定実習の準備として、IAEA保障措置で普及している携帯型ガンマ線スペクトロメータHM-5を用いた訓練も実施した。本発表では、これらのトレーニングコースの開発及び結果、参加者からのフィードバックについて報告する。

Denuclearization study on possible future options for dismantlement and verification of Uranium Enrichment Facility

堀 雅人; 田崎 真樹子; 清水 亮; 木村 隆志; 中谷 隆良

Proceedings of INMM & ESARDA Joint Annual Meeting 2023 (Internet), 8 Pages, 2023/05

将来の非核化を効果的・効率的に実施しするために原子力機構では、非核化研究を実施している。その研究の一環として、本論文は、ウラン濃縮施設を廃棄・検証に関し、(a)平和利用運転、(b)凍結、(c)無能力化、(d)廃止措置、(e)国外移転のオプションについて検討を行った。

Efforts for appropriate responses to safeguards activities, 1; Overview

青木 里英; 白藤 雅也; 野崎 天生; 阿久津 成美*; 宮地 紀子; 中村 仁宣

Proceedings of INMM & ESARDA Joint Annual Meeting 2023 (Internet), 7 Pages, 2023/05

In order to ensure transparency in the peaceful use of nuclear materials in Japan, it is important to appropriately respond to safeguards activities conducted by the IAEA/Japan. In order to strengthen activities to appropriately respond to safeguards activities, JAEA has started the following one activity of (1) for all employees in JAEA to promote understanding and raise awareness of safeguards and three activities of (2) for the employees involved in safeguards activities to appropriately respond on-site to the activities since FY2020: (1) Education on the basis of safeguards, (2-1) Lectures, (2-2) Case studies and (2-3) Standardization of procedures related to safeguards response. In Activity (1), the employees were required to understand Safeguards framework, safeguards activities and provisions of information to Nuclear Regulation Authority in Japan with developed education material, and to pass a confirmation test in FY2022. Accordingly, it was confirmed that understanding for safeguards was successfully promoted since 100% employees passed the test. In Activity (2-1), lectures were provided by experts of safeguards to make the employees reacknowledged the importance of transparency in the peaceful use of nuclear materials and the effect of inappropriate response to safeguards activities. In Activity (2-2), a material for case studies was developed including examples of inappropriate response to safeguards activities and the case studies were conducted by the employees based on the material for recognizing familiar risks of safeguards. The result of questionnaire in FY2022 indicated participants tended to become deeply understanding of familiar risk in each site through the case studies. In Activity (2-3), standard safeguards procedure for whole JAEA was developed to improve the procedures in each site based on the standard procedure and to standardize the response to safeguards throughout JAEA.

非核化達成のための要因分析と技術的プロセスに関する研究; 南アフリカの事例調査

田崎 真樹子; 木村 隆志; 清水 亮; 玉井 広史; 中谷 隆良; 須田 一則

JAEA-Review 2022-056, 54 Pages, 2023/01

JAEA-Review-2022-056.pdf:1.86MB

2018年度から開始した「非核化達成のための要因分析と技術的プロセスに関する研究」の一環で、南アフリカの核開発及び非核化の事例を調査し、それらを7つの非核化要因((1)核開発の動機、(2)非核化決断時の内外情勢、(3)核開発の進捗度、(4)制裁の効果、(5)非核化のインセンティブ、(6)非核化の国際的枠組、(7)非核化の方法及び非核化の検証)から分析すると共に、同国の非核化の特徴及び非核化からの教訓を導いた。南アフリカは、1970年代にその原子力活動を、「平和的核爆発」の研究開発から、「限定的な核抑止力」の開発へ、さらに「運搬可能な核兵器」の製造に移行させ、1980年代後半までに自主開発・生産した高濃縮ウランを使用し6つの核爆発装置を完成させた。しかし1989年にアパルトヘイト政策の撤廃と共に非核化を決断し、自ら核爆発装置及び関連施設等を廃棄し、核兵器不拡散条約に加入して国際原子力機関(IAEA)と包括的保障措置協定(CSA)を締結・発効させ、IAEAの検証を受け、その後、核開発のペナルティを受けることなく非核兵器国として国際社会に復帰した。以降、南アフリカは現在に至るまで原子力の平和的利用を継続している稀有な国であり、特にその自主的な非核化は今後必要とされ得る非核化の参考例になると思われる。南アフリカが非核化を決断した主な要因は、冷戦緩和に伴う南部アフリカ地域の安全保障環境の改善であり、それに加え、同国のデ・クラーク大統領が、主にアパルトヘイト政策に起因する制裁等により余儀なくされていた国際的な孤立状態の改善と、国内の政治・経済の疲弊状態からの脱却が必要であるとの強い意志を抱いていたことである。そしてデ・クラーク大統領がその意志を貫くには、アパルトヘイト制度の撤廃と共に非核化の完遂が必要不可欠であった。今後必要とされ得る非核化の検証の観点からの教訓としては、検証の正確性及び完全性の向上を図る上で、核兵器等の廃棄と同時並行的に検証活動を行う必要があること、また非核化対象国による核物質等の隠蔽(未申告)を防止するために、非核化対象国が検証前にIAEAとCSAに加え追加議定書を締結することが望ましい。さらに非核化の方法について、核兵器(核爆発装置を含む)及び関連資機材や施設の廃棄等の他に、核活動に携わった技術者や科学者が有する核関連の技術やノウハウの拡散を防ぐ手段が必要とされることが挙げられる。

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.

Relationship between neutron moderator and time-dependent background for neutron time-of-flight measurement

Lee, J.; 弘中 浩太; 伊藤 史哲*; 小泉 光生; 堀 順一*; 佐野 忠史*

Journal of Nuclear Science and Technology, 8 Pages, 2023/00

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2224330

In the short-distance time-of-flight (TOF) measurements, the background events increase exponentially with decreasing the distance, and the high background increases the uncertainty of the measurement data. The moderated neutron beam includes the time-dependent background originating from the neutron moderator, such as 2.2 MeV gamma rays emitted by H(n,) reaction in the moderator. In this paper, to achieve a compact neutron resonance transmission analysis system with high accuracy, we studied the relationship between the moderator and time-dependent background due to gamma rays. Monte Carlo simulations were carried out with the PHITS and the JENDL-4.0 to investigate the time distributions of neutrons and gamma rays emitted from the moderator. Ratios of the gamma-ray intensity to neutron intensity (S/S ratio) were calculated for various moderators and flight distances. From the obtained results, moderator designs for maintaining low S/S ratio were discussed.

Designs and neutronic characteristics of an epithermal neutron moderator at ambient temperature for neutron time-of-flight measurements

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

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(12), p.1546 - 1557, 2022/12

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2077259

Compact time-of-flight (TOF) measurement systems are desirable for easy installation in various facilities. To achieve such compact systems, one of the key considerations is the design of the neutron moderator. However, there are only a few reports on systematic studies on moderators considering both neutron energy resolution as well as a neutron intensity. In this paper, to design an epithermal neutron moderator for short-distance TOF measurements, the neutron intensity and energy resolution of epithermal neutrons have been studied using the Monte Carlo simulation code PHITS with JENDL-4.0 for various types of moderators. The neutronic characteristics of a moderator comprising several components were evaluated. The relationships between the moderator dimensions and both the energy resolution and intensity of the epithermal neutrons were determined. From the obtained results, the appropriate high resolution moderator designs for the short-distance TOF measurements were proposed.

非核化達成のための技術的プロセスに関する研究,3; 原子炉施設の廃棄・検証

中谷 隆良; 清水 亮; 田崎 真樹子; 木村 隆志; 堀 雅人

第43回日本核物質管理学会年次大会会議論文集(インターネット), 4 Pages, 2022/11

非核化は、核開発の検証と核兵器(核爆発装置を含む)、核兵器に利用可能な核物質(HEU及びPu)及びそれらの製造施設・設備・機器及び資機材等を、凍結,無能力化,廃止措置し、それらを検証することである。本研究では、原子炉施設の非核化を達成するために、民生利用,凍結,無能力化,廃止措置の選択肢における技術的措置や検証方法について検討し、効果的・効率的な観点で技術的プロセスを整理・考察する。

非核化達成のための技術的プロセスに関する研究,5; ウラン濃縮施設,原子炉施設及び再処理施設の廃棄・検証に関する比較評価

木村 隆志; 中谷 隆良; 清水 亮; 田崎 真樹子; 堀 雅人

第43回日本核物質管理学会年次大会会議論文集(インターネット), 4 Pages, 2022/11

将来の非核化を想定し、原子力機構では、非核化を効果的・効率的に達成するための技術的プロセスについて研究を行っている。本発表では、ウラン濃縮施設,原子炉施設及び再処理施設の非核化のオプションとして、民生利用,凍結,無能力化,廃止措置,国外搬出を想定し、各々の措置の効果(不可逆性)と措置に必要なリソース及び検証に必要なリソースを定量的に評価した結果について比較評価した結果を報告するものである。