[論文レビュー] Monitoring Reactor Anti-Neutrinos Using a Plastic Scintillator Detector in a Mobile Laboratory

John L. Carroll, J. P. Coleman+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、発泡プラスチックシンチレーターとパナソニック MPPC を用いたコンactで移動可能な反ニュートリノ検出器を、英国のウェルファ・マグノックス原発で20フィートのISOコンテナに設置した。反ニュートリノ検出器は、原発起動後27時間以内に逆ベータ崩壊候補イベントの3σ超過を観測し、非液体シンチレーター技術を用いた、自律的かつ非侵襲的な原発モニタリングの実現可能性を示した。

ABSTRACT

Technology developed for the T2K electromagnetic calorimeter has been adapted to make a small footprint, reliable, segmented detector to characterise anti-neutrinos emitted by nuclear reactors. The device has been developed and demonstrated by the University of Liverpool and underwent field tests at the Wylfa Magnox Reactor on Anglesey, UK. It was situated in a 20\,ft ISO shipping container, above ground, roughly 60\,m from the 1.5\,\GWt\ reactor core. Based on the design of the T2K Near Detector ECal, the device detects anti-neutrinos through the distinctive delayed coincidence signal of inverse $β$-decay interactions using extruded plastic scintillator and Hamamatsu Multi-Pixel Photon Counters.

研究の動機と目的

• 民間原子力発電所に設置可能なコンactで安全かつ携帯可能な反ニュートリノ検出器の開発を目的とする。
• 実際の非実験的環境において、プラスチックシンチレーターとMPPC技術を用いて反ニュートリノを検出する技術の実現可能性を示すこと。
• 原発運転中に統計的に有意な反ニュートリノ信号を観測できる能力を検証し、原発出力および燃料燃焼度の非侵襲的モニタリングを可能にすること。
• 液体を含まない、耐久性があり、標準のコンテナに容易に設置可能な装置を実現することで国際的核不拡散査察要件を満たすこと。
• 反ニュートリノ検出器の広範な導入基盤を提供し、継続的かつ自動化された原発モニタリングを実現すること。

提案手法

• 検出器は、発泡プラスチックシンチレーターのバーを用い、パナソニックのマルチピクセル光子カウンター（MPPC）で電離信号を読み取る。
• 逆ベータ崩壊（IBD）反応は、即時の陽電子信号とその後に続く遅延した中性子のガドリニウム捕獲という遅延一致シグネチャによって同定される。
• 検出器は20フィートのISOコンテナに収納されており、機械的耐久性と放射線遮蔽を提供し、ウェルファ原発コアから60メートルの距離に設置された。
• 中性子-ガンマ線識別はパルス形状解析により実現され、ガドリニウムドープされたシンチレーター層の使用によって向上した。
• データ取得と解析はリアルタイムで実行され、IBDシグネチャに一致するエネルギーおよび時間的基準に基づいて候補イベントが選別される。
• 統計的有意水準は、原発停止時のポisson分布に従うバックグラウンド率に基づくp値を用いて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 60メートルの距離に位置する1.5 GWthの原発コアから、非毒性で固体のシンチレーター技術を用いたコンactで移動可能な反ニュートリノ検出器が、信頼性を持って反ニュートリノを検出できるか？
• RQ2 商業的原子力施設において、中性子-ガンマ線識別および信号同定能力が十分に高く、IBDイベントとバックグラウンドを区別できるか？
• RQ3 原発運転中に統計的に有意な反ニュートリノ過剰を観測でき、査察モニタリングに適した時間分解能を達成できるか？
• RQ4 45メートルの距離での性能はどの程度で、1日間の運用で3σの有意水準に達するか？
• RQ5 検出器の設計および材料が、民間原子力施設への設置に必要な安全性、運用性、規制要件をどの程度満たしているか？

主な発見

• 原発起動後27時間以内に、反ニュートリノ候補イベントの3σ超過を観測し、IBDシグナルの検出が確認された。
• 15時間後に1σ、24時間後に2σの有意水準に達し、原発運転中におけるバックグラウンド上での明確で増加する信号の存在が示された。
• 原発運転中の観測された候補イベント率は1日あたり203.7 ± 19.6件であり、1.5 GWthの原発コアから60メートルの距離での予想フラックスと整合的であった。
• 45メートルの距離での予想では、10000万回の擬似実験に基づき、24時間以内に4.4σの有意水準に達する見込みであり、近距離での高い検出可能性が示された。
• 検出器は効果的な中性子-ガンマ線識別を示し、原発停止時のバックグラウンド率は1日あたり171.6 ± 13.1件であり、統計的期待値と良好に一致した。
• 非毒性で高閃点の材料で構成され、標準のISOコンテナに収納された装置は、商業的原子力施設での地上部に設置可能な自律的運用に耐える強度を示した。