核燃料再処理施設など、化学的処理、貯蔵のために核分裂性物質を使用する施設においては、核的に臨界状態となる、臨界事故の例が既に7回報告されている。臨界事故においては、大量のガンマ線、中性子が発生するため放射線量率が急激に高くなり、作業者の被曝量が大きくなる恐れがある。従って、これらの施設に於いては作業者を放射線障害から守るために臨界線量率測定システム及び臨界事故警報システム(Criticality Accident Alarm System:CAAS)を備える必要がある。CAASは異常な放射線量を検知し警報を発生することで、作業者の高レベルの被曝を防ぐものであり、警告の時間を十分確保するためには、十分に迅速に応答することが求められる。また、誤警報時の混乱を避けるため、CAASシステムは十分な信頼性を有し、誤警報の頻度が小さいことが求められる。これらの要求はANSI(American National Standard Institute)基準としてまとめられているが、現在までのCAASはANSI基準のうち、いくつかの項目については十分に満たしてはいない。

　本研究においては、核燃料施設における個人被曝線量率測定及び臨界事故モニタリングに対して、新しい測定器の導入を検討したものである。すなわち、1)バブルディテクター(BD)による新型中性子検出器、2)シリコンPINフォトダイオード(PIN-PD)を利用したCAAS、について研究を行った。

　BDは個人線量率測定、エリアモニタリングのために新たに開発された小型・低コストの検出器であり、放射線によって媒質中に形成される泡により検出を行うものである。有感媒質は半固体の透明媒質(ゼラチン)中にフレオンの粒を分散させたものであり、中性子入射によってフレオンが破裂音とともに崩壊し泡が形成される。この泡はゼラチン中に保持され目視により計測可能であり、その数は入射中性子数に比例する。今回の実験においては、3種類の感度を有す2種類のBD(BD-100、BD-100R)を使用し、BDの再利用性、感度、線量との直線性、測定可能中性子線量限度について評価した。

　BDの照射にはCf-252中性子源を用い、照射時の室内温度とメーカーによる感度-温度曲線を用いて補正を行った。照射後は目視により泡の数を数え、その後冷水中の再圧縮チェンバーを用いて泡の除去を行った。照射はBDの感度が著しく低下し再利用不可能となるまで行った。

　実験の結果、BDの中性子に対する感度は非常に高く、約161、267、335[Bubbles/mSv]であった。飽和限度以下の線量範囲ではBDの線量に対する応答は直線性を示し、飽和限度に達すると急激に低下することが分かった。この飽和限度は、低感度、高感度のBDについて、それぞれ1.8mSv、5.6mSvであった。また、泡の発生時に生ずる音を検出することにより、BDの電子的な読み出しが可能であることを見出し、本検出器を作業者が装着することによる個人モニタリング型臨界警報システムについての提案を行った。

　臨界事故は中性子によって核分裂連鎖反応が継続することによって発生し、事故時には大量のガンマ線、中性子が放出されるとともに、周辺の物質の放射化が生じる。CAASにおいては、即発ガンマ線・中性子の検出、あるいは周辺の放射化物質の放射能検出によって臨界事故を検知する。現在使用されているCAASの多くは前者の方式であるが、後者の方式の1例としてループ状としたアルゴンガスを放射化物質として用いるモニタリングシステムが原研で開発されている。前者の方式を採用している現在のCAASは、GM管、電離箱、シンチレーション検出器、BF₃ガス検出器等で構成されており、高電圧が必要、高頻度のメンテナンス、高い維持費、大きなサイズ、検出器自体が高価というようなデメリットを有している。固体検出器が進歩すれば、単純、小サイズ、軽量、コンパクト、低電圧駆動、高安定性、低価格、低維持費・運転費等の要求が満たされるものと考えられるが、これまでに試みられた検出器では十分な水準にあるとは言えない。

　そこで本研究では、近年、光検出器として広く用いられており、小型かつ信頼性が高いなど、CAAS用検出器として好ましい特性をもつと考えられるPIN-PDに着目した。PIN-PDと水素コンバーター(反跳陽子ラジエータ)との併用により、中性子検出が可能であると考え、本研究では、水素化合物(ポリエチレン)をコンバータ(ラジエータ)として使用することにより、高速中性子検出器を開発した。PIN-PDは、小サイズ、常温で使用可能、低圧使用、高量子効率というような優れた特徴を有し、長期間にわたって校正の必要がないという高い安定性を有しており、中性子検出への応用可能性が示されれば、CAAS用検出器として使用可能であると考えられる。

　PIN-PDを用いた中性子検出器の基礎特性の測定実験を高速中性子源炉弥生(東大)からの漏洩高速中性子束を用い、弥生炉出力を変化させて行った。測定はラジエータをつけた場合、つけない場合の両方について行い、ラジエータの効果を評価した。また、同様の実験をCf-252中性子源、ヴァンデグラフ加速器を用いた単色中性子及びCo-60ガンマ線源を使用して実施した。検出器からの信号はプリアンプ、アンプを経て、波高分析器(MCA)によって解析した。

　実験の結果、PIN-PDがガンマ線、及び中性子を検出可能であることが示された。つまり、ガンマ線の場合には計数がMCAの低チャンネル側(ガンマ線領域)に偏っており、高チャンネル側の計数は中性子のみによることが分かった。また、厚いラジエータの使用により中性子に対する感度の向上が可能であること、原子炉出力とPIN-PDの応答の間にリニアリティが存在し、さらに、ガンマ線源、あるいは中性子源からの距離を変えて測定を行い、計数率が1/r²則に従っていることを確認した。この新型中性子検出器を用いてCAASを作成した。

　CAASの構成は一般に、検出器、測定装置、論理回路、警報ユニットという4つの部分で構成されている。これらの主要機器の安定性の向上のため、安定化電源(UPS)、コンピュータのような機器が用いられる。CAASに用いられる検出器はガンマ線や中性子に対して有感であり、システムの信頼性向上のために同一の作業環境に同じような検出特性を有する検出器が複数個設置され独立に動作させられる。

　測定系は放射線計測において一般的に用いられているものであり、プリアンプ、アンプ、ADC、DAC等が含まれ、信号処理の結果得られた線量率、計数率、あるいは信号パルスそのものが論理回路へ送られる。本研究で開発したCAASシステムは2-out of-3ロジックを採用しており、3つの検出器のうちの2つからの信号があらかじめ設定されたレベルを超えた場合に、アラームユニットに対してトリガー信号が送出される。本研究ではアラーム発生装置をLEDで置き換えている以外は、CAASにおける全ての主要な装置を製作し、パルサー、及び実際に放射線源を使用したチェックを行った。

　本研究では、これらの結果を総合して新しい臨界事故警報システムの提案を行った。CAASに要求される感度については、検出器数を増やすことで増加させることが可能であり、PIN-PDは安価であることから、十分に対応が可能である。また、PIN-PDからの信号は50nsec以内の高速性を有しており、測定系を加えても数msec内にアラームを発生させることが可能である。さらに、実験の結果、本システムは良好なS/N比を示しており、2-out of-3ロジックを用いれば、誤警報の確率を容易に低くすることができる。以上のような点により、PIN-PDを使用した本システムはCAASに十分に適用することが可能であると考えられる。検出器の設置位置による線源に対する検出効率の変化は、得られる信号のバックグラウンド放射線等に対するS/N比や、臨界警報発生までの応答時間に影響するが、従来のシステムに用いていた検出器は主としてサイズの制約により、あまり線源に近づけて用いることができなかった。しかし、小型のPIN-PDを用いることで、検出器を線源の近くに冗長性を持たせ多数配列することが可能となり、より信頼性の高いシステムの構築が可能になる。また、検出器を分散配置することにより、臨界事故の発生点についての情報も得られ、作業者が避難する際に被曝を最小にするような経路を取ることに役立つものと期待される。

　以上、本研究では臨界事故を対象とした線量測定システム及び臨界事故警報システムについて検討し、BDによる個人線量モニタリングにより、個人レベルでの迅速な警報を得ることで、事故時の被曝線量を減らすことに寄与できること、また、PIN-PDを使用したANSI基準に適合した臨界事故警報システムの構築が可能であり、従来用いられていたシステムに比較してより高い信頼性が期待できるものであることを示したものである。さらに、最近注目されているプラスチックシンチレーティング光ファイバ等を利用することにより、本研究で提案した分散配置型検出器をより発展させ、分布型臨界警報システムとすることが今後の課題と考えられる。