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Feasibility study of nuclear transmutation by negative muon capture reaction using the PHITS code

PHITSを用いた負ミューオン捕獲反応による核変換のフィージビリティ調査

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Abe, Shinichiro; Sato, Tatsuhiko

高レベル放射性廃棄物に含まれる長寿命核種(LLFP)の処理方法として、核変換技術が研究されている。しかしながら、$$^{90}$$Sr, $$^{126}$$Sn, $$^{137}$$Csなどの中性子吸収断面積および核分裂断面積が小さい核種に関しては、中性子による核変換が困難である。このような核種の核変換について、負ミューオンの適用が検討されている。低エネルギーの負ミューオンは原子に捕獲されミューオン原子を形成し、その後崩壊または原子核に捕獲されるが、このミューオンを捕獲した原子核は中性子や陽子などを放出し、別の核種へと変換される。放射線輸送計算コードPHITSの最新版では、負ミューオン捕獲反応の計算機能が実装された。そこで、PHITSを用いて負ミューオン捕獲反応による核変換の実現可能性の調査として、$$^{90}$$Srによる負ミューオン捕獲反応を計算した。その結果、94%の負ミューオンが原子核に捕獲され、66%の$$^{90}$$Srが安定核または半減期20日以下の核種へ変換されることが確認された。一方で、15%の$$^{90}$$Srは元よりも半減期の長い$$^{87}$$Rbへ変換されることも判明した。

Nuclear transmutation has been investigated to reduce long-lived fission products (LLFPs) in high level radioactive wastes. However, the nuclear transmutation is difficult for some LLFPs (e.g., $$^{90}$$Sr, $$^{126}$$Sn and $$^{137}$$Cs) having small cross-sections of fission and neutron capture. Negative muon is examined to be applied for the nuclear transmutation. Low energy negative muon is captured on an atom, and then it can decay or be further captured on its nucleus. When negative muon is captured on nucleus, some light particles and residual nucleus are produced. Negative muon capture process has been implemented into latest version of PHITS. In this study, we studied the feasibility of nuclear transmutation by negative muon capture reaction for LLFPs using PHITS. Negative muon capture reaction on 90Sr is simulated. It is found that 94% of negative muons are captured on nucleus, and 66% of $$^{90}$$Sr become stable nuclides or radioactive nuclides having less than 20 days. It is also found that 15% of $$^{90}$$Sr become $$^{87}$$Rb having longer half-life than that of $$^{90}$$Sr.

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