JPWO2014034734A1 - 核物質探知装置及び核物質探知方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、核物質を探知するために、X線等の強力な放射線をコンテナに照射し、このコンテナ内の核物質の核反応により発生する中性子やガンマ線を測定する手段が考えられるが、この場合、強力な放射線を発生させるために大型の加速器が必要となり、可搬式の装置として実用化させることは極めて困難である。
しかし、この手法によりコンテナ等に隠蔽されている可能性のある核物質を探知することは、原理的に不可能であり、核物質探知装置として実用化することはできない。
そこで、本発明によれば、中性子源からパルス状に中性子(一次中性子)を発生させ、検出部が中性子を検出して得た時系列データから、一次中性子の影響が大きいと推測される時間領域のデータを除いて、炉雑音解析処理が行われる。このため、核物質の探知能力を高めることができ、実用可能な核物質探知装置を得ることが可能となる。
この場合、中性子源がパルス状に発生させた一次中性子の影響が大きい時間領域のデータを、時系列データから除き、一次中性子の影響の少ない時間領域のデータを抽出することができる。そして、この抽出した時間領域のデータに基づいて炉雑音解析処理を行って、雑音成分(Y値)を求めることができる。
この場合、中性子源がパルス状に発生させた一次中性子の影響を効果的に除くことができ、また、時系列データから除くデータを少なくして炉雑音解析処理における統計誤差を小さくすることが可能となる。
2つの重水素を反応させる核融合反応(以下、DD核融合反応ともいう)は、重水素と三重水素とを反応させる核融合反応(以下、DT核融合反応ともいう)に比べて、中性子の発生量が劣るが、前記のとおり、核物質の探知能力を高めることができることから、中性子源にDD核融合反応を用いたとしても、隠蔽されている核物質の探知が可能となる。そして、DD核融合反応では、三重水素を使わないことから、装置として安全であり、また、装置の取り扱いが容易となる。
中性子源を移動体に搭載させるためには、中性子源を小型化する必要がある。前記のとおり、核物質の探知能力を高めることができることから、多くの中性子を発生させるために大型の中性子源ではなく、小型の中性子源でもよい。このため、中性子源の移動体への搭載が可能となる。また、核物質の探知能力を高めることができることから、検出部を小型化することができ、検出部の移動体への搭載が可能となる。
なお、移動体としては、トラック等の荷台を有する自動車とすることができ、この荷台に中性子源と検出部との内の少なくとも一方が搭載される。
また、移動体は一つであり、この移動体に中性子源と検出部との双方が搭載されていてもよく、または、移動体は二つであり、中性子源と検出部とを移動体それぞれに分けて搭載してもよい。
この場合、中性子源から対象物へ向かう方向に照射された中性子が、直接的に検出部に対して照射されるのを防ぐことが可能となる。
本発明によれば、前記核物質探知装置と同様の作用効果を奏することができる。
〔1. 核物質探知装置の全体構成〕
図1は、本発明の核物質探知装置1の実施の一形態を示す平面図である。この核物質探知装置1(以下、単に、探知装置1ともいう)は、検査の対象物であるコンテナ3内に隠蔽されている可能性のある核物質(特定核物質)4を、発生させた中性子を用いて探知する装置である。例えば、コンテナ3の流通経路の途中で、この探知装置1により、コンテナ3内に隠蔽されているウラン235又はプルトニウム239等の核物質4を探知する。図1では、探知を困難にするための遮蔽材(厚さ2cmの鉄)5で覆われた1kgのウラン235がコンテナ3内に隠蔽されている状況を示している。
本実施形態では、中性子源10及びコリメータ11が一台の第一自動車(トラック)T1の荷台に搭載されており、検出部20及び処理部30が一台の第二自動車(トラック)T2の荷台に搭載されている。
そして、中性子源10から発生する中性子線による被ばくを避けるために半径約5mの範囲を立入禁止とした後、中性子源10を起動し、コンテナ3に対して中性子を照射しながら検出部20で中性子の計測を行う。コンテナ3内に隠蔽されている1kgのウラン235の存在を、約10分の検査時間で探知する。
(重水素)+(重水素) →3He(0.82MeV)+n(2.45MeV) …(1)
(重水素)+(三重水素)→4He(3.67MeV)+n(14.06MeV) …(2)
〔2.1 検出部20の出力信号から所定のデータを生成する処理〕
検出部20(ヘリウム3検出器)が検出する中性子には、核物質が核分裂反応することで発生する二次中性子だけではなく、中性子源10から照射された一次中性子も含まれる。検出部20は、このような中性子を検出すると、その検出信号を出力し、処理部30はこの検出信号を取得し、これを処理することで所定のデータを生成する。
図2に示すように、所定時間ΔH毎に中性子パルスが発生すると、この発生した中性子(一次中性子)は、例えばコンテナ3内の様々な物に当たり散乱したり吸収されたりし、その数が変化する。このため、検出部20に届く一次中性子の計数率の時間変化は、図3に示す時刻Tp1〜Tp2までのパルスの1周期毎に、矢印Bに示す曲線形状となる。
本実施形態では、中性子の発生時間ΔTpが10マイクロ秒であり、その5000倍の50ミリ秒を第一時間領域ΔAとしている。
そして、残された第二時間領域ΔBのデータを時系列順に並べたデータが、編集時系列データD2となる。つまり、編集時系列データD2(図5参照)は、第二時間領域Bのデータが連続するデータからなる。
これにより、処理部30は、一次中性子の計数率がある程度減少した後の第二時間帯ΔBの中性子の計数率の分布(中性子雑音)に基づいて処理を行うことになる。
処理部30は、図5に示す編集時系列データD2に基づいて炉雑音解析処理を行い、雑音成分(Y値)を求める。そして、処理部30は、この雑音成分(Y値)が所要の値(閾値)を超えているか否かの判定を行い、超えている場合に、コンテナ3内に核物質4が隠蔽されていると判定する。
Y={(計数の分散)/(計数の平均)}−1 ・・・(3)
時系列データD1及び編集時系列データD2の生成処理、並びに、炉雑音解析処理を含む中性子雑音計測の具体例について説明する。
図6は、この具体例のための実験装置の概略構成を示す説明図である。なお、この実験装置では、中性子源10として、DD核融合反応ではなく重水素と三重水素との核融合反応(以下、DT核融合反応ともいう)により中性子を発生させる構成としている。
この中性子源10によりパルス状に発生させた中性子を、高濃縮ウラン(核物質4)に照射しながら、4台のヘリウム3検出器21を備えている検出部20により、中性子を検出する。
今回の実験条件によれば、0.25kgの高濃縮ウラン(核物質4)の存在を10分で探知することができる。このため、例えば図1に示す実施形態において核物質4であるウランの量が1kgであるとすると、この図1に示す実施形態のウランの量は、今回の実験のウランの量の4倍であり、中性子源10による中性子発生率は、実験と図1に示す実施形態とで同じ平均108個/秒であることから、図1に示す実施形態において、例えば4本のヘリウム3検出器21を備える検出部20を用いることで、この図1に示す実施形態の高濃縮ウランの存在を、十分に実用可能な時間で探知することが可能である。
検出部20により検出される中性子には、中性子源10から照射された一次中性子と、核物質4がコンテナ3内に隠蔽されている場合にその核物質4の核分裂反応により発生する二次中性子とが含まれる。そして、核物質4の存在を探知するためには二次中性子を検出する必要があるが、一次中性子の影響により、二次中性子の検出が困難となることがある。つまり、一次中性子がバックグランドとなり、二次中性子の検出が困難となることがある。
特に、図1に示すように、中性子源10は自動車T1(路面に対して移動する移動体)に搭載されているが、DD核融合反応を用いていることから、万が一の事故が発生しても、放射能汚染の可能性が小さいクリーンな装置となる。
図1に示す探知装置1では、前記のような炉雑音解析処理に基づく核物質4の探知の他に、中性子エネルギー測定に基づく核物質4の探知が可能である。
このために、中性子源10は、2つの重水素を反応させるDD核融合反応を用いて2.45MeVの中性子を発生させる。この中性子源10による中性子発生率は、平均108個/秒である。
したがって、核物質4の核分裂によって発生した中性子(二次中性子)を計測する場合において、最初に照射した中性子(一次中性子)が検出部20で検出される可能性があり、この中性子(一次中性子)がバックグランドとなる。これは、DT核融合反応で発生する中性子のエネルギーが14.06MeVと高いため、原理的に発生するバックグランドである。
DD核融合反応を用いることにより、中性子源10で発生して検出部20に到達する中性子の最大エネルギーは2.45MeVである。そして、探知しようとする核物質4が核分裂することで発生する二次中性子については、図8に示すように、2.45MeVよりも高い成分が全二次中性子の約30%を占める。このため、2.45MeVよりエネルギーが高い中性子を検出部20及び処理部30により検出する構成とすることにより、原理的に照射中性子がバックグラウンドとならない。
さらに、本実施形態の放電型核融合装置を中性子源10として用いることで、トラック等の自動車に搭載可能な小型とすることができ、また、必要な中性子強度を得ることができる。また、三重水素を使用しないため、公衆の放射能汚染の危険性も少なく、自動車等による移動式の探知装置に好適に用いることができる。
図1の探知装置1による前記中性子エネルギー計測の具体例について説明する。図1に示す実施形態を想定し、連続エネルギーモンテカルロ計算コードMCNPによる中性子エネルギー計測の数値シミュレーションを行った。計算体系を図9に示す。核データライブラリーにはJENDL3.3を使用している。1kgのウラン235を厚さ2cmの鉄の球形遮へい体の中心に置き、これを一般的な海運コンテナ(20’×8’×8’)内に設置した。
以上より、ウランが無い条件での前記測定実験(図14参照)により、全計数率が約1000cpsと高い計数率であったとしてもバックグラウンド信号は約2cpsと非常に少なく、統計誤差を考慮しても、ウランが存在した場合にはこのバックグラウンド信号を上回ることが十分に期待できる。すなわち、図1に示した実施形態において、1kgのウラン235の存在を約10分の検査時間で探知することが可能である。
本実施形態では、前記炉雑音解析処理による核物質4の探知(第一の探知処理)と、2.45MeVよりもエネルギーが高い中性子の検出に基づく核物質の探知(第二の探知処理)とを並行して行うことが可能である。この場合、一方の探知処理が他方の探知処理のバックアップとして機能し、また、他方の探知処理が一方の探知処理のバックアップとして機能し、核物質の探知の信頼性を向上させることができる。
すなわち、コンテナ3内に核物質4が隠蔽されている場合において、第一の探知処理では誤探知により核物質4の存在が否定されたとしても、第二の探知処理により、核物質の存在が肯定された場合、そのコンテナ3をさらに詳しく調べることにより、隠蔽されている核物質4を見逃すことなく、見つけ出すことが可能となる。
対象物(コンテナ3)内に隠蔽されている可能性のある核物質4を探知する核物質探知装置1であって、
前記対象物に対して照射する中性子を、2つの重水素を反応させる核融合反応を用いて発生させる中性子源10と、
前記中性子源10から照射された一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を、そのエネルギーと共に検出可能な検出部20と、
前記検出部20が中性子を検出して得たデータに基づいて処理を行う処理部30と、を備え、
前記処理部30は、前記核融合反応により発生し前記検出部20に到達する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子が、前記検出部20により検出された中性子に含まれていることを求める処理を行うことを特徴とする核物質探知装置。
なお、中性子エネルギー計測による核物質の探知(第二の探知処理)の場合、中性子源10は中性子をパルス状に発生させてもよいが、パルス状ではなく、定常的に発生させてもよい。
図1に示す実施形態では、中性子源10と検出部20との双方が自動車に搭載されている場合について説明したが、これ以外であってもよく、中性子源10と検出部20との内の少なくとも一方が、自動車に搭載されていればよい。また、自動車はトラック以外であってもよく、探知装置1の専用自動車であってもよい。さらに、中性子源10と検出部20との内の少なくとも一方を搭載し路面に対して移動する移動体として、自動車の場合を説明したが、自動車以外であってもよい。
例えば、図12に示すように、中性子源10は、立方体からなるコンテナ3の一面に対面する配置にあり、検出部20はこのコンテナ3の他面に対面する配置とするのが好ましい。この場合、中性子源10からコンテナ3へ向かう方向に照射された一次中性子が、直接的に検出部20に対して照射されるのを防ぐことが可能となり、検出部20における一次中性子の影響をより一層効果的に抑えることができる。
さらに、中性子源10及び検出部20の配置は、図11及び図12に示す形態以外であってもよく、例えば、図示しないが、検出部20をコンテナ3の上に配置してもよい。
3:コンテナ(対象物)
4:核物質
T1:自動車(移動体)
T2:自動車(移動体)
10:中性子源
20:検出部
30:処理部
ΔTp:発生時間
ΔH:所定時間
D1:時系列データ
ΔA:第一時間領域
ΔB:第二時間領域
Claims (8)
- 対象物内の核物質を探知する核物質探知装置であって、
前記対象物に対して照射する中性子を発生させる中性子源と、
前記中性子源から照射させた一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出可能な検出部と、
前記検出部が中性子を検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行う処理部と、を備え、
前記中性子源は、パルス状に中性子を発生させ、
前記処理部は、前記検出部が中性子を検出して得た時系列データから、前記中性子源がパルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて、前記炉雑音解析処理を行うことを特徴とする核物質探知装置。 - 前記処理部は、前記時系列データを生成すると共に、この時系列データから、前記時間領域のデータを除いたデータを抽出し、抽出したこのデータに基づいて前記炉雑音解析処理を行って雑音成分を求める請求項1に記載の核物質探知装置。
- 前記処理部は、前記中性子源がパルス状に発生させる中性子の発生開始タイミングから、当該中性子の前記発生時間の500〜5000倍の時間経過後までのタイミングを前記時間領域として、この時間領域のデータを、前記時系列データから除く請求項1又は2に記載の核物質探知装置。
- 前記中性子源は、2つの重水素を反応させる核融合反応を用いて中性子を発生させる請求項1〜3のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
- 前記中性子源と前記検出部との内の少なくとも一方は、路面に対して移動する移動体に搭載されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
- 前記中性子源から前記対象物へ向かう方向と、前記対象物から前記検出部へと向かう方向とは、交差する関係にある請求項1〜5のいずれか一項に記載の核物質探知装置。
- 前記中性子源は、2つの重水素を反応させる核融合反応を用いて中性子を発生させる構成であり、
前記検出部は、中性子をそのエネルギーと共に検出する機能を有し、
前記処理部は、前記核融合反応により発生し前記検出部に到達する中性子が有する最大エネルギーよりも高いエネルギーを有する中性子が、前記検出部により検出された中性子に含まれていることを求める機能を有している請求項1〜6のいずれか一項に記載の核物質探知装置。 - 対象物内の核物質を探知する核物質探知方法であって、
前記対象物に対してパルス状に中性子を照射し、
照射した一次中性子及び核物質の核分裂反応により発生した二次中性子を含む中性子を検出し、
この検出して得たデータに基づいて炉雑音解析処理を行い、
前記炉雑音解析処理を、中性子を検出して得た時系列データから、前記パルス状に発生させた中性子の発生時間を含む時間領域のデータを除いたデータに基づいて行うことを特徴とする核物質探知方法。
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