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Delayed $$gamma$$-ray spectroscopy combined with active neutron interrogation for nuclear security and safeguards

小泉 光生; Rossi, F.; Rodriguez, D.; 高峰 潤; 瀬谷 道夫; Bogucarska, T.*; Crochemore, J.-M.*; Varasano, G.*; Abbas, K.*; Pedersen, B.*; et al.

EPJ Web of Conferences (Internet), 146, p.09018_1 - 09018_4, 2017/09

Along with the global increase of applications using nuclear materials (NM), the requirements to nuclear security and safeguards for the development of effective characterization methods are growing. Mass verification of NM of low radioactivity is performed using passive non-destructive analysis (NDA) techniques whereas destructive analysis (DA) techniques are applied for accurate analysis of nuclide composition. In addition to the characterization by passive NDA, a sample can be further characterized by active NDA techniques. An active neutron NDA system equipped with a pulsed neutron generator is currently under development for studies of NDA methods. Among the methods DGS uses the detection of decay $$gamma$$-rays from fission products (FP) to determine ratios of fissile nuclides present in the sample. A proper evaluation of such $$gamma$$-ray spectra requires integration of nuclear data such as fission cross-sections, fission yields, half-lives, decay chain patterns, and decay $$gamma$$-ray emission probabilities. The development of the DGS technique includes experimental verification of some nuclear data of fissile materials, as well as development of the device. This presentation will be a brief introduction of the active neutron NDA project and an explanation of the DGS development program.


Neutron resonance analysis for nuclear safeguards and security applications

Paradela, C.*; Heyse, J.*; Kopecky, S.*; Schillebeeckx, P.*; 原田 秀郎; 北谷 文人; 小泉 光生; 土屋 晴文

EPJ Web of Conferences (Internet), 146, p.09002_1 - 09002_4, 2017/09

Neutron-induced reactions can be used to study the properties of nuclear materials in the field of nuclear safeguards and security. The elemental and isotopic composition of these materials can be determined by using the presence of resonance structures in the reaction cross sections as fingerprints. This idea is the basis of two non-destructive analytical techniques which have been developed at the GELINA neutron time-of-flight facility of the JRC-IRMM: Neutron Resonance Capture Analysis (NRCA) and Neutron Resonance Transmission Analysis (NRTA). A full quantitative validation of the NRTA technique was obtained by determining the areal densities of enriched reference samples used for safeguards applications with an accuracy better than 1%. Moreover, a combination of NRTA and NRCA has been proposed for the characterisation of particle-like debris of melted fuel formed in severe nuclear accidents. In order to deal with the problems due to the diversity in shape and size of these samples and the presence of strong absorbing matrix materials, new capabilities have been implemented in the resonance shape analysis code REFIT. They have been validated by performing a blind test in which the elemental abundance of a combined sample composed of unknown quantities of materials such as cobalt, tungsten, rhodium or gold was determined with accuracies better than 2%.


Influence of the neutron transport tube on neutron resonance densitometry

北谷 文人; 土屋 晴文; 小泉 光生; 高峰 潤; 堀 順一*; 佐野 忠史*

EPJ Web of Conferences (Internet), 146, p.09032_1 - 09032_3, 2017/09

The use of a short flight path is effective in the neutron resonance analysis. On the other hand, such a short path would reduce a time resolution in Time-Of-Flight (TOF) measurements. In order to investigate the effect of neutron flight-path length, we carried out Neutron Resonance Transmission Analysis (NRTA) experiments with a short neutron flight path at the Kyoto University Research Reactor Institute - Linear Accelerator (KURRI-LINAC). In measurements of Neutron Resonance Densitometry, the quantity of nuclear materials is determined from TOF spectra obtained in the neutron energy range below 30 eV. Performing NRTA experiments with a 7-m flight path at KURRI-LINAC, we examined effects of flight path and pulse width on a TOF spectrum. A resonance dip of $$^{183}$$W at 27 eV in a TOF spectrum was successfully observed with an electron pulse width less than 2 $$mu$$s. In this presentation, we will discuss importance of the pulse width and short flight path to study design of a compact TOF facility to quantify nuclear materials.


Intermediate-spin states of $$^{92}$$Zr and a large $$B(E2)$$ value between the $$10_1^+$$ and $$8_1^+$$ states

菅原 昌彦*; 藤 暢輔; 小泉 光生; 大島 真澄*; 木村 敦; 金 政浩*; 初川 雄一*; 草刈 英榮*

Physical Review C, 96(2), p.024314_1 - 024314_7, 2017/08

This study investigated intermediate spin states of $$^{92}$$Zr via the inverse reaction $$^9$$Be($$^{86}$$Kr,3n)$$^{92}$$Zr. Seven transitions were newly observed and a lifetime was extracted for the $$10_1^+$$ state by analysis of Doppler-broadened line shapes of decay $$gamma$$-rays. A large $$B(E2)$$ value was obtained for the transition from $$10_1^+$$ to $$8_1^+$$ and the magnitude was comparable to that for the deformed excited configurations in $$^{94}$$Zr that have recently been established. A possible origin for such collectivity is discussed qualitatively based on a phenomenological deformed rotor model. Moreover, a multiplet-like structure that fits into the systematics for $$N=52$$ even-A isotones is revealed for the negative-parity yrast states.


Delayed gamma-ray spectroscopy, 1; Development and current status

Rodriguez, D.; Rossi, F.; 高峰 潤; 小泉 光生; 瀬谷 道夫; Crochemore, J. M.*; Varasano, G.*; Bogucarska, T.*; Abbas, K.*; Pedersen, B.*

Proceedings of INMM 58th Annual Meeting (Internet), 6 Pages, 2017/07



Delayed gamma-ray spectroscopy, 2; Experimental studies for determination of fissile materials ratios

Rossi, F.; 小泉 光生; Rodriguez, D.; 高峰 潤; 瀬谷 道夫; Pedersen, B.*; Crochemore, J. M.*; Abbas, K.*; Bogucarska, T.*; Varasano, G.*

Proceedings of INMM 58th Annual Meeting (Internet), 7 Pages, 2017/07

保障措置分野では、高線量核物質の核分裂性核種の組成比の独立検認のために、新たな、改良アクティブ問い掛け法NDA技術が必要とされている。原子力機構とJoint Research Centre (JRC)は、サンプルの核分裂生成核種の崩壊からの遅発$$gamma$$線を測定することで、サンプル中核物質の核分裂性核種比を決める遅発$$gamma$$線分光法を共同で開発している。現在、低線量核物質サンプルを用いた測定がいくつかの施設で行われることとなっている。ここで、長半減期核分裂生成核種からの影響を最小限にするために、低エネルギー$$gamma$$線の遮へいと、3MeVを超える高いエネルギーの$$gamma$$線に注目する必要がある。この測定法では、異なる小型中性子源が使用されるが、いずれにおいても中性子エネルギーを熱エネルギー領域まで減速することが必要である。我々は、減速体及び反射体をMCNPを用いて最適化を進めており、また、問い掛け、移動、測定のシークエンスの最適化も進めている。現在進めている測定では、認証されたU/Puサンプルを使用しており、観測する遅発$$gamma$$線を同位体組成に比例する関連付けが可能となる。この発表では、最適化の状況とともに、U/Puサンプル中の核分裂性核種比決定のための実験キャンペーンを紹介する。


$$gamma$$-ray pipe monitoring for comprehensive safeguards process monitoring of reprocessing facilities

Rodriguez, D.; 谷川 聖史; 向 泰宣; 磯前 日出海; 中村 仁宣; Rossi, F.; 小泉 光生; 瀬谷 道夫

Proceedings of INMM 58th Annual Meeting (Internet), 9 Pages, 2017/07



Effects of $$gamma$$-ray polarization in NRF-based nondestructive assay of nuclear materials

Omer, M.; 羽島 良一*; 静間 俊行*; 小泉 光生

Proceedings of INMM 58th Annual Meeting (Internet), 7 Pages, 2017/07



Development of active neutron NDA techniques for nuclear nonproliferation and nuclear security

藤 暢輔; 大図 章; 土屋 晴文; 古高 和禎; 北谷 文人; 米田 政夫; 前田 亮; 呉田 昌俊; 小泉 光生; 瀬谷 道夫; et al.

EUR-28795-EN (Internet), p.684 - 693, 2017/00

In 2015, Japan Atomic Energy Agency (JAEA) and the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission collaboration started to develop an active neutron non-destructive assay system for nuclear nonproliferation and nuclear security. To the best of our knowledge, no adequate technique exists that allows us to determine the amount of special nuclear materials and minor actinides in high radioactive nuclear materials, such as spent fuel, transuranic waste, etc. The collaboration aims at contributing to the establishment of an innovative NDA system using a D-T pulsed neutron source for various applications. We utilize several active neutron NDA techniques, namely Differential Die-Away Analysis (DDA), Prompt Gamma-ray Analysis (PGA), Neutron Resonance Capture Analysis (NRCA), Neutron Resonance Transmission Analysis (NRTA) and Delayed Gamma Spectroscopy (DGS). All of these techniques have advantages and disadvantages. The different methods can provide complementary information which is particularly useful for nuclear nonproliferation and nuclear security. In this project, we have developed a combined NDA system, which enables the measurements of DDA and PGA, at NUclear fuel Cycle safety Engineering research Facility (NUCEF) in JAEA. In this presentation, we will introduce our project and report the recent progress of developments, especially in NRTA, DDA and PGA.


Delayed gamma-ray analysis for characterization of fissile nuclear materials

小泉 光生; Rossi, F.; Rodriguez, D.; 高峰 潤; 瀬谷 道夫; Bogucarska, T.*; Crochemore, J.-M.*; Varasano, G.*; Abbas, K.*; Pedersen, B.*; et al.

EUR-28795-EN (Internet), p.868 - 872, 2017/00

Under the collaboration between the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) and European Commissions' Joint Research Center (EC-JRC), development of four active neutron-interrogation non-destructive assay methods for nuclear non-proliferation and safeguards are in progress. The techniques are differential die-away analysis, delayed gamma-ray analysis (DGA), neutron resonance transmission analysis, and prompt gamma-ray analysis. Information obtained by each method is used complementarily to characterize a sample. DGA utilizes moderated pulsed neutrons from a D-T neutron generator to induce fission reaction of nuclear materials. Delayed gamma rays from the fission products (FP) are measured to determine the ratios of fissile nuclides (e.g. $$^{235}$$U, and $$^{239,241}$$Pu) in the sample. Experimental studies of the DGA method are in progress with the Pulsed Neutron Interrogation Test Assembly (PUNITA) in EC-JRC Ispra. Here we present an overview of the study plan of these DGA experiments along with the latest results. This research was implemented under the subsidiary for nuclear security promotion of MEXT.


$$^3$$He代替非破壊分析装置の開発; 迫り来る$$^3$$Heクライシスの解決を目指して

小泉 光生; 坂佐井 馨; 呉田 昌俊; 中村 仁宣

日本原子力学会誌, 58(11), p.642 - 646, 2016/11

核セキュリティ、保障措置分野では、核分裂に伴う中性子を検出する検認装置として$$^3$$He検出器を利用したものが広く利用されている。検出器に利用される$$^3$$Heガスは、主に米国におけるストックから供給されてきたが、2001年9月11日の同時多発テロ以後、大量の$$^3$$He中性子検知装置を米国内に配備したことから、在庫が減少し、供給が近い将来停止する状況になりつつあった。そうした中、2011年3月末の$$^3$$He代替中性子検出技術に関するワークショップにおけるIAEAの$$^3$$He代替非破壊分析装置開発の呼びかけに応じ、原子力機構においても、J-PARCセンターが開発したZnS/$$^{10}$$B$$_2$$O$$_3$$セラミックシンチレータをベースに$$^3$$He代替検出器の開発を行い、平成27年3月には、開発した中性子検出装器の性能試験及びそれを実装した核物質検認用非破壊分析(Non-Destructive Assay (NDA))装置の性能実証試験を実施した。本解説では、開発した検出器、代替NDA装置を紹介し、あわせて$$^3$$He問題の顛末を報告する。


LaBr$$_3$$ $$gamma$$-ray spectrometer for detecting $$^{10}$$B in debris of melted nuclear fuel

小泉 光生; 土屋 晴文; 北谷 文人; 原田 秀郎; Heyse, J.*; Kopecky, S.*; Mondelaers, W.*; Paradela, C.*; Schillebeeckx, P.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 837, p.153 - 160, 2016/11

Neutron Resonance Densitometry (NRD) has been proposed as a non-destructive analytical method for quantifying Special Nuclear Material (SNM) in the rock- and particle-like debris that is to be removed from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant. The method is based on Neutron Resonance Transmission Analysis (NRTA) and Neutron Resonance Capture Analysis combined with Prompt Gamma Ray Analysis (NRCA/PGA). Although quantification of SNM will predominantly rely on NRTA, this will be hampered by the presence of strong neutron-absorbing matrix materials, in particular $$^{10}$$B. Results obtained with NRCA/PGA are used to improve the interpretation of NRTA data. Prompt $$gamma$$-rays originating from the $$^{10}$$B(n, $$alphagamma$$) reaction are used to assess the amount of $$^{10}$$B. The 478 keV $$gamma$$-rays from $$^{10}$$B, however, need to be measured under a high-radiation environment, especially from $$^{137}$$Cs. In order to meet this requirement, we have developed a well-shaped $$gamma$$-ray spectrometer consisting of a cylindrical and four rectangular cuboid LaBr$$_3$$ scintillators, and a fast data acquisition system.


複雑な組成・形状の核燃料を計量管理する中性子共鳴濃度分析法の開発; 粒子状溶融燃料中の核物質非破壊測定技術の開発

小泉 光生; 原田 秀郎; Schillebeeckx, P.*

日本原子力学会誌, 58(9), p.563 - 567, 2016/09



Simulation of the elastic scattering contributions to the NRF-based nondestructive assay of nuclear materials

Omer, M.; 羽島 良一*; Angell, C.*; 静間 俊行*; 早川 岳人*; 瀬谷 道夫; 小泉 光生

Proceedings of INMM 57th Annual Meeting (Internet), 9 Pages, 2016/07



Design study on differential die-away technique in an integrated active neutron NDA system for non-nuclear proliferation

大図 章; 前田 亮; 米田 政夫; 飛田 浩; 呉田 昌俊; 小泉 光生; 瀬谷 道夫

Proceedings of 2016 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC 2016) (Internet), 4 Pages, 2016/00

原子力機構では、MA核変換用MA-Pu燃料などの高線量核燃料や共存物質が多数含まれるため従来の測定技術では測定が困難な難測定核物質を対象として、中性子源を用いた次世代の非破壊測定技術の開発に着手した。その測定技術は、核分裂性核種の総質量を計測するダイアウェイ時間差分析法(DDA)、固体物質を核種分析する中性子共鳴透過分析法(NRTA)、計測妨害物質等を分析する即発$$gamma$$線スペクトル分析(PGA)または中性子共鳴捕獲分析法(NRCA)、及び核種組成比を分析する遅発$$gamma$$線スペクトル分析(DGS)法から構成される。それらの技術を相補的に組み合わせることよって難測定核物質の測定を目指している。本報では、その測定技術開発の中で核分裂性物質量の高精度測定を目指して設計した次世代型DDA装置部の構造、及び シミュレーションによる設計性能に関して報告する。


Current activities and future plans for nuclear data measurements at J-PARC

木村 敦; 原田 秀郎; 中村 詔司; 岩本 修; 藤 暢輔; 小泉 光生; 北谷 文人; 古高 和禎; 井頭 政之*; 片渕 竜也*; et al.

European Physical Journal A, 51(12), p.180_1 - 180_8, 2015/12

In order to improve the data accuracy of neutron-capture cross sections of minor actinides (MAs) and long-lived fission products (LLFPs), a new experimental instrument named "Accurate Neutron-Nucleus Reaction measurement Instrument (ANNRI)" has been constructed in the Materials and Life science experimental Facility (MLF) at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), and measurements of neutron-capture cross sections of MAs, LLFPs and some stable isotopes with high intensity pulsed neutrons have been started. The analyses for $$^{244}$$Cm, $$^{246}$$Cm, $$^{241}$$Am and $$^{237}$$Np were finished; those for $$^{129}$$I, $$^{107}$$Pd, $$^{99}$$Tc, $$^{93}$$Zr and some stable isotopes are in progress. These results will make significant contributions in the field of developing innovative nuclear systems.


中性子共鳴濃度分析法の性能評価,2; 中性子共鳴捕獲$$gamma$$線分析法

土屋 晴文; 原田 秀郎; 小泉 光生; 北谷 文人; 呉田 昌俊; Becker, B.*; Kopecky, S.*; Heyse, J.*; Paradela, C.*; Mondelaers, W.*; et al.

核物質管理学会(INMM)日本支部第36回年次大会論文集(インターネット), 9 Pages, 2015/12

粒子状の溶融燃料デブリに含まれるウランやプルトニウム同位体を非破壊で定量することを目的に、中性子共鳴濃度分析法(NRD)の技術開発を進めてきた。NRDは、中性子共鳴透過分析法(NRTA)に中性子共鳴捕獲$$gamma$$線分析法(NRCA)、あるいは即発$$gamma$$線分析法(PGA)を組み合わせた技術である。NRDにおけるNRCA/PGAの役割は、主に$$^{137}$$Csによる高放射線場においてデブリ中の原子炉や建屋の構造材、ボロンなどの不純物を同定することである。これを実現するため、LaBr$$_3$$結晶を用いた新型の$$gamma$$線検出器やそれ専用の遮蔽体を開発した。これらの$$gamma$$線検出器や遮蔽体を用いて、ベルギーの中性子飛行時間施設GELINAにおいて公開デモ実験を実施した結果、第三者によってブラックボックス内に密封された試料(Hf, Gd, Ni)を同定することに成功した。本発表では、開発した$$gamma$$線検出器の設計概念と測定原理、及びNRCAデモ実験結果について報告する。


中性子共鳴濃度分析法の性能評価,1; 中性子共鳴透過分析法

北谷 文人; 原田 秀郎; 小泉 光生; 土屋 晴文; 呉田 昌俊; Becker, B.*; Kopecky, S.*; Heyse, J.*; Paradela, C.*; Mondelaers, W.*; et al.

核物質管理学会(INMM)日本支部第36回年次大会論文集(インターネット), 9 Pages, 2015/12

平成24年度から平成26年度にかけて、粒子状の溶融燃料デブリに含まれるウランやプルトニウム同位体を非破壊で定量する技術として、中性子共鳴濃度分析法(NRD)の開発を進めてきた。NRDは、中性子共鳴透過分析法(NRTA)と中性子共鳴捕獲$$gamma$$線分析法(NRCA)あるいは即発$$gamma$$線分析法(PGA)を組み合わせた技術である。NRDにおけるNRTAの役割は、溶融燃料デブリ中の核燃料物質(U, Pu等)の同位体を定量することである。この目的のために飛行時間法(Time of Flight: TOF)を利用した中性子吸収測定を実施する。これについて。ベルギーの中性子飛行時間施設GELINAにて性能評価デモ実験を実施した。その結果、Au, W, Rh, Nb, Cu. Co, Mn, Bをランダムに選択して、封をされたブラックボックス内の試料を定量することに成功した。本発表では、開発したNRTAの測定原理を述べ、実施したデモ実験の詳細を発表する。


核不拡散用アクティブ中性子非破壊測定技術の開発,1; 開発計画

呉田 昌俊; 小泉 光生; 大図 章; 土屋 晴文; 古高 和禎; 瀬谷 道夫

核物質管理学会(INMM)日本支部第36回年次大会論文集(インターネット), 9 Pages, 2015/12

原子力機構は、欧州委員会共同研究センター(EC-JRC)との国際共同研究による核不拡散分野用途の「アクティブ中性子非破壊測定技術開発」に着手した。本研究課題の最終目標は、MA核変換用MA-Pu燃料など高線量核燃料の非破壊測定装置への適用を目指した核物質測定技術を確立することである。高線量核燃料の非破壊測定については、Pu-240等が放出する中性子に着目した同時計数法など従来のパッシブ測定技術の適用が困難となることが予想されている。しかし、これまで系統的に研究は成されておらず、計測技術が確立していない課題があった。本研究課題では、アクティブ中性子法であるDDA法, NRTA法, PGA/NRCA法, DGS法による核物質測定技術の研究開発を行う。本報では、開発計画と統合試験装置(Active-N)の設計研究について報告する。


Technique of neutron resonance transmission analysis for active neutron NDA

土屋 晴文; 小泉 光生; 北谷 文人; 呉田 昌俊; 原田 秀郎; 瀬谷 道夫; Heyse, J.*; Kopecky, S.*; Mondelaers, W.*; Paradela, C.*; et al.

Proceedings of 37th ESARDA Annual Meeting (Internet), p.846 - 851, 2015/08


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