[論文レビュー] TRITIUM - A Real-Time Tritium Monitor System for Water Quality Surveillance

C.D.R. Azevedo, A. Baeza+18 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、原子力発電所周辺の河川水におけるリアルタイムでイン・サイトのトリチウムモニタリングを実現するTRITIUMプロジェクトを紹介する。このシステムは、シンチレーティング光ファイバをシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）で一致モードで読み取ることで、低レベルのトリチウムを高感度で検出する。最適化されたファイバジオメトリ、バックグラウンド除去、および超純水の精製により、100 Bq/L未塔の検出能力を達成しており、プロトタイプの検証では安定した性能と、以前のモデル比10倍の信号向上が確認された。

ABSTRACT

In this work the development results of the TRITIUM project is presented. The main objective of the project is the construction of a near real-time monitor for low activity tritium in water, aimed at in-situ surveillance and radiological protection of river water in the vicinity of nuclear power plants. The European Council Directive 2013/51/Euratom requires that the maximum level of tritium in water for human consumption to be lower than 100 Bq/L. Tritium levels in the cooling water of nuclear power plants in normal operation are much higher than the levels caused by the natural and cosmogenic components, and may easily surmount the limit required by the Directive. The current liquid-scintillation measuring systems in environmental radioactivity laboratories are sensitive to such low levels, but they are not suitable for real-time monitoring. Moreover, there is no currently available device with enough sensitivity and monitoring capabilities that could be used for surveillance of the cooling water of nuclear power plants. A detector system based on scintillation fibers read out by photomultiplier tubes (PMTs) or silicon photomultiplier (SiPM) arrays is under development for in-water tritium measurement. This detector will be installed in the vicinity of Almaraz nuclear power plant (Spain) in Spring 2019. An overview of the project development and the results of first prototypes are presented.

研究の動機と目的

• EU指令2013/51/Euratomが定めるトリチウム濃度100 Bq/L未塔の制限を満たすために、原子力発電所周辺の河川水における近似リアルタイムでイン・サイトのトリチウムモニタリングシステムを開発すること。
• サンプル回収を要する現在の液体シンチレーション法の限界を克服し、連続的かつ自律的なモニタリングに適したシステムを実現すること。
• 宇宙線および自然バックグラウンド放射線が存在する中でも、100 Bq/L未塔のトリチウム濃度を検出可能な十分な感度を持つ検出器を設計すること。
• 超純水（電気伝導度 ~10 µS/cm）を維持するための水処理システムを実装し、プロセス中にトリチウムが損失しないようにすること。
• 10分以内の測定時間でトリチウム濃度が100 Bq/Lを超えた場合にアラームを発動させる自律的で連続的な測定を達成すること。

提案手法

• トリチウム崩壊に伴う低エネルギーβ線を検出する主な検出媒体として、クラッドなしのシンチレーティング光ファイバ（1 mmおよび2 mm径）を用いる。
• シンチレーション信号を、一致モードで動作するシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）またはフォトマルチプライヤ（PMT）で読み取ることで、検出器固有のノイズを低減する。
• プラスチックシンチレーターと lead ブロックを用いた能動的および受動的シールドを実装し、宇宙線および自然バックグラウンド放射線を効果的に遮断する。
• ファイバの汚れを防ぎ、測定中のトリチウム活性を保持するため、電気伝導度 <10 µS/cm の超純水処理システムを統合する。
• 15個の円筒型セルからなるモジュラー検出器を設計し、各セルには500本のファイバ（長さ25 cm、径1 mm）を内蔵し、各セルを2つのSiPMアレイで一致読み取りを行う。
• GEANT4シミュレーションを用いて、エネルギー損失を最小限に抑えつつ最大のエネルギー付加と検出効率を達成するためのファイバ長、径、幾何配置を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラッドなしのシンチレーティング光ファイバは、トリチウム崩壊に伴う低エネルギーβ線を十分な効率と信号対ノイズ比で検出可能か？
• RQ2 エネルギー付加を最大化し、信号損失を最小限に抑えるために最適なファイバ径および幾何配置は何か？
• RQ3 SiPMまたはPMTを用いた一致検出は、検出器固有のノイズを効果的に低減し、100 Bq/L未塔の感度を向上させられるか？
• RQ4 検出器の性能は、シンチレーティングファイバの本数および表面状態にどのように依存するか？
• RQ5 連続流量式の超純水システムは、トリチウム濃度を維持でき、10分サイクルでの水交換を可能にし、リアルタイムモニタリングを実現できるか？

主な発見

• GEANT4シミュレーションの結果、トリチウム崩壊に伴う電子は、2 mm径のクラッドなしファイバに12 keV前後でエネルギーを付加し、2～18 keVの範囲に分布し、崩壊イベントはファイバ表面から5 µm以内に発生することが判明した。
• TRITIUM-1 Aveiroプロトタイプは、ファイバ数の増加と最適化された一致読み取りにより、TRITIUM-0プロトタイプ比でトリチウム信号が10倍向上した。
• 検出器プロトタイプは、9か月にわたる連続したラボテストにおいて安定した応答を示し、長期的な信頼性を確認した。
• 55Fe源（5.9 keVの光子）を用いた低エネルギー検出の妥当性が確認され、トリチウムβ崩壊の平均エネルギー6 keV付近の信号検出能力が裏付けられた。
• 108.11 MBq/Lのトリチエート水を明確に超純水からの信号分離とともに測定でき、規制基準値をはるかに上回るレベルでの感度が確認された。
• 超純水処理システムはトリチウム活性を保持し、10分サイクルでの水交換を可能にした。これにより、リアルタイムモニタリング要件を満たした。