Trial measurement for para-to-orthohydrogen back conversion under the Fe(OH) catalyst condition at J-PARC cryogenic moderator system

J-PARC極低温減速材システムにおけるFe(OH)触媒条件下でのパラオルソ水素逆転換に対する試験的計測

有吉 玄  ; 達本 衡輝*; 勅使河原 誠   ; 長谷川 巧*; 城 裕喜*; 堀川 裕加*

Ariyoshi, Gen; Tatsumoto, Hideki*; Teshigawara, Makoto; Hasegawa, Takumi*; Shiro, Yuki*; Horikawa, Yuka*

1.4MWの高出力運転がされている米国オークリッジ国立研究所の核破砕中性子源(SNS)では、触媒が無い液体水素循環系において、核スピン異性体の一つであるパラ水素が高強度中性子場でオルソ水素へ変換される「バックコンバージョン生成」を、近年、世界で初めて実験的に計測した。このバックコンバージョンによるパラオルソ変換量は、0.374[m/MW/day]であった。パラ水素とオルソ水素を比較すると、中性子の全断面積が2桁以上異なるため、オルソ水素の増加は得られる中性子の性能に大きく影響を与える。そのためJ-PARC水素循環系では、パラ水素状態を維持するための触媒が導入されている。しかし、触媒性能の劣化をその場かつ直接診断できる手法は開発されていないのが現状である。そこで本研究では、J-PARC水素循環系において、簡便かつ意図的にオルソ水素量を変化させる新しい手法を考案し、バックコンバージョンに相当するオルソ水素の増加を意図的に循環系内へ導入することで、触媒の動特性等を評価することを試みた。本手法による試みは、その場診断型の触媒特性評価手法の確立や、オルソ・パラ比に依存する中性子性能の算定に資する可能性を秘めるものである。

The Spallation Neutron Source (SNS) at the Oak Ridge National Laboratory in the United States of America, which operates at 1.4 MW of high-power proton beam, has recently measured "back conversion production" in which parahydrogen, a nuclear spin isomer, is converted to orthohydrogen in an intense neutron field in a liquid hydrogen circulation system not installing any catalyst, for the first time in the world. The amount of para-to-orthohydrogen back conversion was 0.374 [m/MW/day]. Comparing parahydrogen and orthohydrogen, the total neutron cross section differs more than two orders of magnitude, so the increase in orthohydrogen has a significant impact on the generated neutron performance. Therefore, in the J-PARC hydrogen circulation system, a catalyst is introduced to maintain the parahydrogen state. However, at present, methods have not been developed yet to directly diagnose catalyst performance and/or degradation in-situ. In this study, we devised a new method to easily and intentionally change the amount of orthohydrogen in the J-PARC hydrogen circulation system, and attempted to evaluate catalyst kinetics by intentionally introducing an increase in orthohydrogen equivalent to back conversion into the circulation system. This method has the potential to contribute to the in-situ diagnostic catalyst characterization and to the calculation of neutron performance that depends on the ortho-to-parahydrogen ratio.