高エネルギー加速器研究機構(KEK)は1月23日、日本原子力発電が保有する東海第二発電所の原子炉において、原子炉建屋の外部に宇宙線の1つである「ミュオン(ミュー粒子)」の検出装置を設置し、原子炉建屋内の格納容器、圧力容器、使用済み燃料プール内に保存されている核燃料の存在を特定し、その概略の形状を特定することに成功したことを発表した。

同成果は、KEKのほか、筑波大学、東京大学、首都大学東京に所属する研究者らによるもの。詳細は2014年1月23日に開催された「先端加速器科学技術推進協議会(AAA)第35回技術部会」にて発表された。

大地震や大津波などの影響で原子炉が破損した場合、その内部の様子を調査することが必要となるが、放射線量が高い環境下で人間がじかに内部に立ち入り調査を行うことは非常に困難だ。

そこで研究グループは今回、地球外部から大量に降り注ぎ、高い物質透過能力を持つことが知られている「ミュオン」を用いて、X線写真などのように内部の状態をその外部から調べる手法を交換、その具体的な可能性を調べるために、実際に原発の原子炉を用いた実証実験を行ったという。

ミュオンの計測は、標準的な計測装置であるプラスティック・シンチレーションカウンター・ホドスコープを用いて行われた。具体的には、核燃料の存在とその位置を特定することを目的に、原子炉建屋の外部60mの地点2カ所ならびに30mの地点1カ所の合計3カ所に配置し、原子炉を3方向から観測し、内部の構造を3次元的に再構成したという。

計測装置のイメージ。簡易コンテナ内に組み込まれている

原子炉建屋とミュオン計測装置の配置図。計測装置は3カ所(計測装置-1-1、-1-2、-2)に設置されている

計測期間は2012年2月から2013年12月までで、得られたデータを、核燃料は、核燃料を保管するコンクリートでできた構造物や格納容器や水などと較べて高い原子番号と比重を持ち、その実効比重も3ぐらいと比較的大きく、ミュオンの減衰(物体によって吸収あるいは散乱される減少)量が大きくなること、ならびにブロック状に固まって存在することなどから、ミュオンの減衰が特定の場所で観測されるといった利点を考慮して解析し、それぞれの観測地点におけるイメージを取得。

計測装置-1-1地点で観測された原子炉建屋内部のイメージ図。黒い部分の色が濃いほどミュオンの減衰(物体によって吸収あるいは散乱される減少)が大きいことを示すものとなっており、青緑の部分はミュオンの減衰が特に大きい場所を示している

さらに、3つの地点で観測それぞれのデータを用いて、位置と大きさの特定された使用済み燃料プールの場所と、核燃料、および原子炉格納容器の外形形状を18度ごとの異なった視点で再構成したところ、核燃料と考えられる重い物質ならびに使用済み燃料プールおよび格納容器に対応するイメージを得ることに成功したという。

3つの地点での観測結果を再構成した核燃料と想定される重い物質、使用済み燃料プール、および格納容器。位置と大きさの特定された使用済み燃料プール(水色)の場所と、核燃料(濃い緑色)、および原子炉格納容器の外形形状(ねずみ色)を18度ごとの異なった視点で再構成した画像となっている

なお研究グループでは、今回の経験を踏まえて適切な設計・計画を行うことで、福島第一原子力発電所などのように近づくことの難しい構造物の調査に非常に有効な手段を提供できるようになる可能性がでてきたと説明している。