Multi-scattering time-of-flight neutron spectrometer for deuterium to tritium fuel ratio measurement in fusion experimental reactors

核融合実験炉におけるDT燃料イオン比計測のための多重散乱飛行時間中性子スペクトロメータの開発

浅井 啓輔*; 湯川 恭平*; 井口 哲夫*; 直井 紀拓*; 渡辺 賢一*; 河原林 順*; 山内 通則*; 今野 力  

Asai, Keisuke*; Yukawa, Kyohei*; Iguchi, Tetsuo*; Naoi, Norihiro*; Watanabe, Kenichi*; Kawarabayashi, Jun*; Yamauchi, Michinori*; Konno, Chikara

DTプラズマ中のD/T比は、DD/DT反応によって発生するDD中性子(2.45MeV)とDT中性子(14.1MeV)の測定によりそれらの中性子強度比から求めることができ、測定にはDT中性子中の微量なDD中性子の検出が鍵となる。本研究では、TOF法をベースに、飛行時間を測定するシンチレータ対の前に中性子散乱体(水)を挿入した多重散乱飛行時間中性子スペクトロメータ(MS-TOF)の開発を行っている。本システムは、ビームライン上にアクティブな検出器を持たないことと中性子散乱体中の水素原子核がDT中性子よりもDD中性子に対して大きな弾性散乱断面積を有することを利用して、シンチレータ対に入射する中性子束のDD/DT中性子強度比を向上させることができ、微量DD中性子の検出に有利である。今回は、日本原子力研究開発機構核融合中性子源施設FNSの加速器DT中性子源を用いて、本システムによるDT中性子ビーム中の微量DD中性子検出を試みた。その結果、DT中性子ピークとともにDD中性子ピークも観測できた。また予備的ながら、使用した中性子ビーム中のDD/DT中性子強度比を評価し、妥当な結果を得た。

The fuel ratio in a DT burning plasma can be derived from the intensity ratio of DD/DT neutrons, and detecting a trace of DD neutrons in the DT burning plasma is a key issue. A new type of neutron spectrometer is proposed to monitor the fuel ratio in the core of the ITER plasma. The system based on a conventional time-of-flight method consists of a water cell as a neutron scattering material and tens of scintillator pairs arranged around the first scintillator in a corn shape. We call it a multi-scattering time-of-flight neutron spectrometer (MS-TOF). A trial experiment was conducted for the prototype MS-TOF system with a DT neutron beam (20-mm diameter) at the Fusion Neutronics Source (FNS), Japan Atomic Energy Agency. The experimental results show that the DD and DT neutron peaks are clearly observed, and the experiment has successfully demonstrated the feasibility of the MS-TOF concept for detecting trace-DD neutrons within a DT neutron beam extracted from a DT burn plasma.