ウラン廃棄物の放射能評価方法開発の状況 -...

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

財団法人原子力研究バックエンド推進センター

ウラン廃棄物の放射能評価方法開発の状況

(資料3-2)

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

1

発表内容

①開発目標

②問題点と解決方法

③測定システムの概念

④検討の考え方

⑤検討項目

⑥まとめ

※本発表は文部科学省委託事業平成21年度「低レベル放射性廃棄物の放射能濃度及び数量評

価方法開発」の成果です。

※※本開発は日本原子力研究開発機構人形峠環境技術センターのご協力を得て進めておりま

す。

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

2

■研究施設等廃棄物の埋設処分事業（原子力機構）■大学・民間企業等の研究施設等廃棄物の合理的な処理方法の検討（RANDEC）（H20～、集荷・保管・処理の物流システム事業化検討）

・対象廃棄物はH60年度までに総計約6万7千本（200Lドラム）が予想される。・トレンチ処分相当の廃棄物が97％、内ウラン廃棄物が70％。■研究施設等廃棄物の合理的な処理・処分に向けて・ウラン廃棄物の処分区分を適切に設定することが必要。

特に、大学・民間企業等の事業所（約100事業所）は全国に点在しており、そのウラン

廃棄物の適切な処分区分設定等を効率的に行うための簡易な測定システムが必要。・このような測定システムは将来の処理処分施設の詳細設計等のための基本情報取得

にも必要。⇒しかし、既存の測定手法では、簡易な装置で短時間で誤差評価も含めた正確な測定

をすることが困難

そこで、トレンチ処分の受入濃度を満足するかを判断できるもので、以下の要件を満た

す測定装置の開発を目標とする。①容器（

200Lドラム缶優先）に収納された状態で測定可能

②幅広い種類の廃棄物（内容物）に適用可能③装置が簡易、測定が簡便、測定時間はドラム缶１本あたり1時間程度

⇒パッシブγのバルク測定法を検討対象として選定（実用化フェーズは数年先を想定。現在は測定手法の妥当性検討の段階）

①開発目標

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

3

■既存のパッシブγ測定法による評価の問題点廃棄物（内容物）の密度分布、線源分布の不均一性についての検討が不十分。

■新しい放射能評価式（評価座標）の導入廃棄物密度分布及び線源分布によらずウランを定量できる可能性がある原子力機構人形

峠環境技術センター考案の評価式（評価座標）を導入

U-238の子孫核種Pa-234mから放出される２つのγ線（1001keV、766keV）を対向測定

することで得られる計数率及び計数率のピーク比を用いた評価式により、線源分布及び廃

棄物密度分布によらず、放射能（U-238）とγ線計数率を一義的に関係付けることができる

可能性がある。

②問題点と解決方法

検出器 (1)

n1 n2 I0

x1 x2

検出器 (2)

等価モデル分布

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0 10 20 30 40 50

Z=1/(ln(k/R(1)*(ln(k/R(2))

sqrt

(n1*n

2)

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

③測定システムの概念

4必要性等を含め、今後詳細に検討

校正方法の詳細は今後検討

校正用ドラム缶

核種組成補正

ウラン量決定

重量濃度決定

238U量決定

線源位置・数・廃棄物密度分

布に依存しない検量線

重量測定

密度分布評価γCT

測定レイヤ設定

対向測定

○効率補正

○評価座標計算

○誤差評価

新しい評価式（評価座標）

○線源位置

○線源数

○廃棄物密度

対向測定

○効率補正

○評価座標'計算

○誤差評価

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

5

廃棄物均一・線源不均一な場合について、本測定システムにおける放射能評価式の

（１）解析的な検討、（２）評価式による解析解では扱うのが困難な廃棄物性状を含めた

数値シミュレーション検討、さらに（３）模擬廃棄体を用いた試験を行い、評価式の本測

定システムへの適用性の検討を行った。

④検討の考え方

（１）解析的検討線源位置・数によらない、ウラン量

と計数率の関係を与える評価式を

解析解により検討

（２）数値シミュレーションウラン量を固定し、線源位置、数及び

廃棄物密度を0.001g/cm3 から

1.0g/cm3の範囲で変化させ評価式の

適用妥当性を検討

（３）模擬廃棄体による試験シミュレーションに用いた代表的条件

(ウラン量、線源数、線源位置及び廃

棄物密度)についてモックアップ試験を

行い、評価式の適用妥当性を検討

新しい放射能評価式

検証

導入

廃棄

物性

状

廃棄物均一 線源均一 パラメーター：

線源数、線源

位置、線源強

度、廃棄物密

度

廃棄物均一 線源不均一

廃棄物不均一 線源不均一

拡張検討

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

6

1.解析的検討（評価座標の設定と検討）2.シミュレーションによる適用妥当性の検討3.試験による適用妥当性の検討

⑤検討項目

廃棄体状態 実施内容

放射能評価

式（評価座

標）

廃棄物均一／線源均一

線源 強度 文献調査

廃棄物 密度 文献調査

廃棄物均一／線源不均一

線源 位置 「解析」「シミュレーション」「試験」を実施 吸収係数が変化

しない。

数 「解析」「試験」を実施（「シミュレーション」はH22年度実施）

強度 「解析」「試験」を実施（「シミュレーション」はH22年度実施）

廃棄物 密度 「解析」「シミュレーション」「試験」を実施

廃棄物不均一／線源不均一

線源 位置 MCNPコードを用い事前計算を実施 吸収係数が変化

する。

数 MCNPコードを用い事前計算を実施

強度 MCNPコードを用い事前計算を実施

廃棄物 密度 H22年度実施

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

7

１．解析的検討（評価座標の設定と検討）

検出器 (1)

n1 ｎ 2

I0

x1 x2

検出器 (2)

）　

）　　

Pa / U( keV766:

Pa / U(keV1001:234m238

234m238

b

a

偏在した線源、廃棄物密度均一

γ線エネルギー

ドラム缶に対して対向測定を行うことで得られるγ線計数率と計数率比とγ線強度

の関係を導く。

][cm

)766kev1001keV(847.2294.0/837.0

[cps]766keV

[cps]keV1001

[cps](2)

[cps](1)

][cmkeV766

][cmkeV1001

[cm](2)

[cm](1)

[Bq]keV766

[Bq]keV1001

[Bq]

2

2

1

1

12

1

0

0

0

−

−

−

=

==

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

検出効率

のγ線放出率の比と

のγ線計数率

のγ線計数率

でのγ線計数率検出器

でのγ線計数率検出器

のγ線吸収係数

のγ線吸収係数

までの距離線源から検出器

までの距離線源から検出器

の線源強度

の線源強度

線源強度

ε

μ

μ

k

n

n

n

n

x

x

I

I

I

b

a

b

a

b

a

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

8

847.2294.0837.0

)2(

)1(

0

0

2

0

0

2

2

1

0

0

1

1

===

==

==

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

kII

eII

nnR

eII

nnR

b

a

xba

b

a

b

a

xba

b

a

b

a

μμ

μμ

エネルギー毎の計数率の比

γ線強度を計数率と計数率の比を用いて表した関係式

22

202

222

202

2

21

101

121

101

1

)(4,

)(4

)(4,

)(4

xeIn

xeIn

xeI

nxeI

n

xbbb

bxa

aaa

xbbb

bxa

aaa

μμ

μμ

πε

πε

πε

πε

−−

−−

==

==

計数率と線源強度の関係

( )

aa

ba

a

baaaaa

RRk

Rk

RknnII

21

2

242

2100

)4(ln

)2()1(1ln

)2(ln

)1(lnlnln

εε

π

μμμμ

μ

×+

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−+

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=×

−

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

9

( ) ( ) ⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

×≡ 2

21

2ln

1ln

ln'

Rk

Rk

nnZaa

( ) ( ) ⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≡ 2

2ln

1ln

1ln

Rk

Rk

Z

評価座標（Z,Z’）の設定

( ) ( )2214

lnln xxba ×−−−= μμ

( ) ( ) ( )( ) aaa

baaa

xx

xxII

21

2

21

442100

)4(ln

lnlnln

εε

πμ

μμ

×−+−

−−×−×=

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

10

Z,Z’の計算例

Z,Z’の関係の定性的な評価を実施した。⇒線源不均一、廃棄物均一の場合に限定してZ,Z’の関係の定性的な評価

を行った。このとき、線源位置がパラメータになっている。

0.0 

5.0 

10.0 

15.0 

20.0 

0.0  5.0  10.0  15.0  20.0 

X'

X

I0 =105

Z,Z’の計算条件

20cm≦x1≦60cm20cm≦x2≦60cm

減衰係数（Fe）

Z,Z’には線形に近い相関関係があると考えられる。また、

Z,Z’は一義的に決定で

きると推定される。

μ/ρ766keV 0.0684 ⇒μb1001keV 0.0600 ⇒μaZ

Z’ 線源強度

線源位置

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

11

2.シミュレーションによる適用妥当性の検討

L1 L4L2

L3L5

L6L7

Lx Ly

6cmドラム缶内径：56.6cm

厚み：0.16cm

17.83cm

L1 L4L2L3 L5 L6 L7

Lx Ly

評価点評価点

40cm

1cm1cm

線源

ドラム缶中の廃棄物の様々な密度分布

と線源分布をシミュレーションする。この

ため、廃棄物密度分布パターンを多数発

生させ、線源位置を設定して、検出器で

測定されるγ線計数率をQADコードで

計算した。

γ線が通過するセルでの実

効的な透過距離を計算して、

γ線が、線源と検出器の間に

ある遮へい体を垂直に通過

する計算モデルを作成した。

「解析的検討」の均一廃棄物に比較して、

廃棄物密度をパラメータにふった場合に

対応している。

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

Z,Z’の計算例

Z,Z’には線形に近い相関関係があると考えられる。

線源不均一、廃棄物密度不均一の場合に対応している。

線源不均一6×6セルの1箇所に

局在している。ウラン量は1gUとして

評価する。

廃棄物密度不均一密度が0.001g/cm3か

ら1.0g/cm3へ連続的

に変化している。

計算条件

12

解析的検討密度固定⇒Z,Z’に線形性

シミュレーション密度変化⇒ Z,Z’に線形性

Z

Z’

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

各パターンのZの値

が小さな順に並べか

えた結果

この付近のパターン

を選択し、測定を実

施。

試験との関連

Z,Z’には線形に近い

相関関係があると考

えられることから、Z の範囲から何点か選

択して測定を実施し

た。

13

パターン⑪

パターン⑫

パターン⑬

パターン①～④，⑨ パターン⑤～⑧，⑩選択した線源・マト

リックス配置が測

定パターン①～⑬

に対応している。

Z’Z

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

14

3.試験による適用妥当性の検討

同軸型Ge検出器ORTEC HPGe

detector GEM60P-X相対効率：65.9%，結晶直径66.8mm，結晶長さ86.5mm

ウラン線源（U3O8 1gU/個）マルチチャンネルアナライザ（CANBERRA INSPECTOR）

機器仕様

各線源配置、廃棄物ジオメトリでのγ線計数率の変化傾向を精査するため測

定試験を実施した。

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

15

測定状況

3.1 均一廃棄物、局在線源均一廃棄物で線源集中パターンを測定した。廃棄物⇒松材、アクリル、線源のウラン量⇒33gU

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

16

測定条件

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

検出器 検出器

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

パターン① パターン③パターン② パターン④パターン⑨

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

パターン⑤ パターン⑦ パターン⑥ パターン⑧パターン⑩

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

パターン⑪ パターン⑬パターン⑫

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

17

Z,Z’には線形に近い相関関係があると考えられる。

線源からみたPath の密度

0.0 

2.0 

4.0 

6.0 

8.0 

10.0 

12.0 

14.0 

16.0 

18.0 

20.0 

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

Z'

Z

wood

acryl

mix(wood‐air)

mix(acryl‐air)

mix(wood‐air)

密度：0.417g/cm3

密度：0.991g/cm3

密度：0.313g/cm3

密度：0.595g/cm3

密度：0.125g/cm3

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

18

測定状況

3.2 均一廃棄物、複数線源 均一廃棄物で複数線源分布パターンを測定した。廃棄物⇒空気、アルミナ

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

19

測定条件（例） 空気、アルミナで同様の測定を実施した。

線源のランダム配置

Ge検出器 Ge検出器

Ge検出器 Ge検出器

Ge検出器 Ge検出器

#31

#33

#32

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

20

Z,Z’には線形に

近い相関関係が

あると考えられる。

ただし、密度ごと

に系列が異なる

と推定できる。

Pathの平均密度

3.3 Z，Z’の計算結果のまとめ 均一廃棄物、局在線源均一廃棄物、複数線源

密度（g/cm3）

Air 0.001

alumina 0.800

acryl ①～④，⑨ 0.991

wood ⑤～⑧，⑩ 0.417

mix(wood-air) ⑪ 0.313

mix(acryl-air) ⑫ 0.595

mix(wood-air) ⑬ 0.125

0.0 

5.0 

10.0 

15.0 

20.0 

25.0 

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0

Z'

Z

air

air‐rand

alumina

alumina‐rand

wood

acryl

mix（⑪，⑫，⑬）

パターン⑪

密度0.313g/cm3

パターン⑫

密度0.595g/cm3

パターン⑬

密度0.125g/cm3

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

21

均一廃棄物の場合

0.0 

5.0 

10.0 

15.0 

20.0 

25.0 

0.0  5.0  10.0  15.0  20.0  25.0 

X'

X

検量線（ 238U量

=100g）

測定値と検量線のず

れから、線源分布に

依らず 、 238U量が計

算可能と考えられる。

いくつかの線源分布パターンの測定結果から検量線を

設定することで、線源分布に依らず、放射能濃度（238U 量）を定量可能

不均一廃棄物の場合 均一廃棄物の結果を応用することで、線源分布に依ら

ず、放射能濃度（238U量）を定量できる可能性がある。

Z’

Z

放射能濃度（238U量）定量

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

22

Z

校正済ドラム缶

ΔZ’≒1.4

ΔZ’≒－1.4

検量線：100gU

50gU

200gU

Z

・・・

いくつかの線源分布パターンについて、対向測定を実施する。その結果から検量線を求める。

測定対象ドラム缶

検量線からのずれΔZ’を計算しウラン量を求める。ΔZ’≒1.4であればU=200gUとなり、

ΔZ’≒-1.4で

あればU=50gUとなる。

Z’

Z’

①検量線の設定

②ウラン量の計算

検量線

測定フロー

Z’の値がΔZ’=±1.386=±ln(2×2)変

化するとウラン量は2倍、1/2倍になる。

研究施設等廃棄物の埋設事業に関する説明会(第2回)(平成22年10月7日)

23

Ⅰ．既存のパッシブγ測定法における問題点を解決するために新しい放射能評価

式（評価座標）を導入し、それに基づいた測定システムの概念を構築した。

Ⅱ．廃棄物性状が、廃棄物均一・線源不均一の場合について、評価式（評価座

標）の適用妥当性を（１）解析的検討、（２）シミュレーション及び（３）試験により確認

した。これにより、線源分布によらず、放射能（Ｕ-238）とγ線計数率を一義的に関

係付けられることが明らかになった。また、この関係が廃棄物密度に依存すること

を見出した。

Ⅲ．廃棄物不均一・線源不均一の場合については、評価座標の見直しも含め、今

年度（H22）検討中

⑥まとめ

廃棄物性状

廃棄物均一 線源均一 パラメーター：線源数、線

源位置、線源強度、廃棄

物密度廃棄物均一 線源不均一

廃棄物不均一 線源不均一