[논문 리뷰] Monitoring Reactor Anti-Neutrinos Using a Plastic Scintillator Detector in a Mobile Laboratory

John L. Carroll, J. P. Coleman외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 영국의 웰파 마그노스 원자로에서 20피트 규격의 ISO 컨테이너에 설치된, 외부로 뻣어진 플라스틱 색소체와 하마마츠 MPPCs를 사용한 소형 이동식 반중성자 탐지기를 제시한다. 반중성자 탐지기는 원자로 가동 후 27시간 이내에 역베타붕괴 후보 사건에서 3σ 초과를 성공적으로 관측하였으며, 보안 응용 분야에서 자율적이고 침입성이 없는 원자로 모니터링을 위한 견고한 비액체 색소체 기술의 실현 가능성을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 민간 원자력 발전소에 설치 가능한 소형, 안전하고 이동 가능한 반중성자 탐지기 개발
• 실제 실험실 외 환경에서 플라스틱 색소체와 MPPC 기술을 사용해 원자로 반중성자를 탐지할 수 있는 실현 가능성 입증
• 원자로 운영 중에 통계적으로 유의미한 반중성자 신호를 관측할 수 있는 탐지기의 능력 검증을 통해 원자로 출력과 연료 소모도를 비침습적으로 모니터링할 수 있도록 함
• 액체가 아니며 견고하고 표준 운반 컨테이너에 쉽게 설치 가능한 특성을 확보하여 국제 보안 요건 충족
• 지속적이고 자동화된 원자로 모니터링을 위한 향후 광범위한 탐지기 배치 기반 마련

제안 방법

• 탐지기는 하마마츠 다중픽셀 광 카운터(MPPCs)로 독립된 외부로 뻣어진 플라스틱 색소체 기반의 탐지기로, 이온화 신호를 감지하는 데 사용된다.
• 역베타붕괴(IBD) 상호작용은 지연된 동시성 서명을 통해 식별되며, 즉각적인 양전자 신호 이후에 gadolinium에서 중성자 포획이 발생한다.
• 탐지기는 기계적 내구성과 방사선 차폐를 제공하는 20피트 규격의 ISO 컨테이너에 장착되었으며, 웰파 원자로 코어에서 60m 떨어진 곳에 설치되었다.
• 펄스 형상 분석을 통해 중성자-감마선 분리가 이루어지며, 이는 Gd 도핑된 색소체 층의 사용으로 향상된다.
• 데이터 수집 및 분석은 실시간으로 수행되며, 후보 사건은 IBD 서명에 부합하는 에너지 및 시간 조건을 기반으로 선택된다.
• 통계적 유의수준은 원자로 정지 기간 동안 포isson 분포를 따르는 배경율에서 유도된 p-값을 사용하여 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 60m 거리에 있는 1.5GWth 원자로 코어에서, 유해하지 않은 고체 색소체 기술을 사용한 소형 이동식 반중성자 탐지기가 신뢰성 있게 반중성자를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 상업적 원자력 시설 환경에서 배경 신호와 구별하기 위해 탐지기가 충분한 중성자-감마선 분리 능력과 신호 식별 능력을 보여주는가?
• RQ3 원자로 가동 중에 반중성자 과잉 신호를 통계적으로 유의미하게 탐지할 수 있으며, 보안 모니터링에 적합한 시간 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 더 가까운 거리(예: 45m)에서 탐지기 성능은 어떻게 되며, 1일 이내에 3σ 유의수준을 달성할 수 있는가?
• RQ5 탐지기의 설계 및 재료가 민간 원자력 시설에 설치하기 위한 안전성, 운영성 및 규제 요건을 얼마나 충족하는가?

주요 결과

• 원자로 가동 후 27시간 이내에 반중성자 후보 사건의 과잉을 3σ 유의수준으로 관측하여 IBD 신호 탐지 성공을 확인하였다.
• 15시간 후 1σ 유의수준을, 24시간 후 2σ 유의수준을 달성하여 원자로 가동 중 배경 이상의 명확하고 점진적인 신호 증가를 보였다.
• 원자로 가동 기간 동안 관측된 후보 사건 빈도는 일일 평균 203.7 ± 19.6건으로, 60m 거리에서의 예상 방사능 농도와 일치하였다.
• 예상 거리 45m에서, 1억 번의 의사실험을 기반으로 24시간 이내에 4.4σ 유의수준을 달성할 것으로 예측되었으며, 이는 더 가까운 거리에서의 강력한 탐지 가능성 시사.
• 탐지기는 효과적인 중성자-감마선 분리 능력을 보였으며, 원자로 정지 기간 동안 배경 빈도는 171.6 ± 13.1건/일로 통계적 기대치와 양호하게 일치하였다.
• 유해하지 않은 고점화점 재료로 제작되었고 표준 ISO 컨테이너에 장착되어 있어 견고하며, 상업적 원자력 시설에서 지상에 자율적으로 운영 가능한 것으로 입증되었다.