Beam physics design of a 30-MW beam transport to the target for an accelerator-driven subcritical system

加速器駆動システムのターゲットへの30MWビーム輸送のビーム物理設計

Yee-Rendon, B. ; 明午 伸一郎   ; 近藤 恭弘   ; 田村 潤  ; 中野 敬太   ; 前川 藤夫  ; 岩元 大樹   ; 菅原 隆徳  ; 西原 健司  

Yee-Rendon, B.; Meigo, Shinichiro; Kondo, Yasuhiro; Tamura, Jun; Nakano, Keita; Maekawa, Fujio; Iwamoto, Hiroki; Sugawara, Takanori; Nishihara, Kenji

日本原子力研究開発機構では、放射性廃棄物の有害度低減のため、超電導線形加速器(リニアック)による陽子ビーム(出力30MW)を未臨界炉中の標的に入射する加速器駆動核変換システムを開発している。本システムでは熱出力800MWとなる未臨界炉を陽子リニアックで駆動するため、炉内の核破砕中性子ターゲットにビームを供給する。ターゲットへのビーム輸送系には、ビーム窓の健全性を確保するために、高出力ビームにおける安定性と電流密度の低減化が要求される。さらに、燃料やビーム窓の保守・交換のために、原子炉の設計と互換性のある設計が必要である。非常に多くの粒子シミュレーションにより、堅牢でコンパクトなターゲットへのビーム輸送系を開発した。ビーム光学系を最適化により、必要となる0.3A/mm以下のビーム窓における電流密度を実現し、ビーム窓の実現可能性を保証した。リニアックに入力するビームの誤差と加速器要素の誤差に起因する、炉内に入射するビームの誤差評価を行うとともに、改善策を考案した。さらに、加速器の信頼性向上のため、リニアックの故障時における高速補償を適用し、この補償による炉内入射ビームの誤差の影響も評価した。この結果、本研究によるターゲットへのビーム輸送系は、JAEA-ADSの要求を満足することが示された。

To reduce the hazard of minor actinides in nuclear waste, JAEA proposed an accelerator-driven subcritical system (JAEA-ADS). The JAEA-ADS drives a subcritical reactor 800-MWth by 30-MW proton linac delivering the beam to the spallation neutron target inside the reactor. The beam transport to the target (BTT) is required for high-beam power stability and low peak density to ensure the integrity of the beam window. Additionally, the design should have compatible with the reactor design for the maintenance and replacement of the fuel and the beam window. A robust-compact BTT design was developed through massive multiparticle simulations. The beam optics was optimized to guarantee beam window feasibility requirements by providing a low peak density of less than 0.3 A/mm. Beam stability was evaluated and improved by simultaneously applying the linac's input beam and element errors. The input beam errors to the reactor were based on the beam degradation obtained by implementing fast fault compensation in the linac. Those results show that the BTT fulfills the requirements for JAEA-ADS.