[論文レビュー] Evaluation of the in-situ Performance of Neutron Detectors based on EJ-426 Scintillator Screens for Spent Fuel Characterization

H. Perrey, Linus Ros+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、スウェーデンのCLABにおける使用済み核燃料付近の過酷な混合線量放射線環境下で、EJ-426シンチレーター搭載の中性子検出器とパルスマルチプライヤー（PMT）を組み合わせた在処理性能を評価した。8か月間にわたり、検出器は35 kGyの線量を蓄積し、PMTの窓の茶化しとゲイン低下により中性子検出効率が約30%低下したが、高電圧の増加により部分的に補償された。これは、将来的な封入施設における長期間の破壊的でない使用済み燃料の特性評価に、非3He中性子検出器を用いる可能性を示している。

ABSTRACT

The reliable detection of neutrons in a harsh gamma-ray environment is an important aspect of establishing non-destructive methods for the characterization of spent nuclear fuel. In this study, we present results from extended in-situ monitoring of detector systems consisting of commercially available components: EJ-426, a $^6$Li-enriched solid-state scintillator material sensitive to thermal neutrons, and two different types of Hamamatsu photomultiplier tubes (PMT). Over the period of eight months, these detectors were operated in close vicinity to spent nuclear fuel stored at the interim storage facility CLAB, Oskarshamn, Sweden. At the measurement position the detectors were continuously exposed to an estimated neutron flux of approx. 280 n/s $\cdot$ cm$^2$ and a gamma-ray dose rate of approx. 6 Sv/h. Using offline software algorithms, neutron pulses were identified in the data. Over the entire investigated dose range of up to 35 kGr, the detector systems were functioning and were delivering detectable neutron signals. Their performance as measured by the number of identified neutrons degrades down to about 30% of the initial value. Investigations of the irradiated components suggest that this degradation is a result of reduced optical transparency of the involved materials as well as a reduction of PMT gain due to the continuous high currents. Increasing the gain of the PMT through step-ups of the applied high voltage allowed to partially compensate for this loss in detection sensitivity. The integrated neutron fluence during the measurement was experimentally verified to be in the order of $5 \cdot 10^9$ n/cm$^2$. The results were interpreted with the help of MCNP6.2 simulations of the setup and the neutron flux.

研究の動機と目的

• 商用EJ-426シンチレーター中性子検出器の、実際の使用済み核燃料貯蔵環境における長期的放射線耐性を評価すること。
• 高ガンマ線線量率（約6 Sv/h）および中性子線束（約280 n/s cm²）下での中性子検出性能の劣化を評価すること。
• 混合線量放射線下におけるシンチレーターとPMTの劣化メカニズムを区別すること。
• 将来的な封入施設における長期間の在処理での使用に向け、非3He中性子検出器の実用可能性を検証すること。

提案手法

• CLABの使用済み核燃料に近接して、EJ-426シンチレーターと2種類のハマムツァPMT（石英ガラスおよびボロケイ酸ガラス）を組み合わせたデバイスを設置した。
• ガンマ線：約6 Sv/h、中性子線：約280 n/s cm²の高線量混合場条件下で、8か月にわたり継続的な在処理モニタリングを実施した。
• パルス波形と振幅に基づいて、中性子パルスを同定・特徴付けるためのオフラインソフトウェアアルゴリズムを用いた。
• 照射後分析として、光学透過率測定とPMTゲインテストを実施した。
• 照射前後におけるアミラント/ベリリウム（Am/Be）標準源を用いた制御測定を行い、信号振幅分布の比較を実施した。
• MCNP6.2を用いた実験設定のシミュレーションにより、統合中性子線量を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間にわたる混合線量放射線環境（ガンマ線および中性子線）への露出が、EJ-426シンチレーター搭載検出器の中性子検出効率にどのように影響するか？
• RQ2 最大35 kGyの高線量ガンマ線照射下において、EJ-426シンチレーターおよびPMTの主な劣化メカニズムは何か？
• RQ3 PMTに印加する高電圧の調整によって、中性子検出器の性能劣化を緩和できるか？
• RQ4 照射後のシンチレーターおよびPMT窓素材の光学透過率はどの程度低下し、それが信号振幅にどのように影響するか？
• RQ5 使用済み燃料封入施設に一般的に見られる高背景・高線量環境下でも、この検出器システムは長期間にわたり信頼性のある中性子検出を維持できるか？

主な発見

• 石英ガラスPMTを搭載したEJ-426/QRZ検出器は、35 kGyの線量後、主に高電圧アンード電流によるPMTゲイン低下により中性子検出効率が30%低下した。
• ボロケイ酸ガラスPMTを搭載したEJ-426/BSG検出器は、PMT窓の茶化しとゲイン低下により、より顕著な劣化を示した。
• PMTに印加する高電圧を増加させることで、特にEJ-426/BSG構成において検出感度の回復が部分的に達成された。
• 照射後のEJ-426シンチレーターの光学透過率は、変色により低下し、光収率と信号振幅の低下に寄与した。
• 統合中性子線量は、実験的に約5 × 10⁹ n cm⁻²であることが確認され、MCNP6.2のシミュレーション結果と整合的であった。
• USBメモリドライブを介したリモート操作により、95%以上の稼働率を達成し、自律的で長期間の展開に耐える堅牢性を示した。