Neutron target for high-intensity operation at J-PARC MLF

J-PARC物質・生命科学実験施設の高出力中性子源ターゲット

羽賀 勝洋  ; 直江 崇   ; 粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 木下 秀孝   ; 原田 正英   

Haga, Katsuhiro; Naoe, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Wakui, Takashi; Kinoshita, Hidetaka; Harada, Masahide

物質・生命科学実験施設(MLF)では2024年4月、MLFでの陽子ビーム利用出力が長期の利用運転としてはこれまでで最高値である950kWを達成し、また3GeVシンクロトロン(RCS)出口のビーム出力は1MWとなった。この成果は施設建設当初の目標である中性子源の1MW定常運転がほぼ達成されたこと、および中性子源の研究開発が新しい段階に入ったことを表す。水銀ターゲット開発の次の目標は、より高いビーム出力で、より長期間の運転を実現することである。ターゲット容器の寿命は強いパルス陽子ビームの入射で容器内面に生ずるキャビテーション損傷が決定要因であり、これまでは容器を毎年交換して損傷の程度を確認していたが、1MWの高出力運転で得られた損傷データから2年以上の長期運転に耐えうると判断されたため、2024年に新たに交換したターゲット容器を用いて2027年までの長期使用を初めて実施する予定である。また今後、RCSのパルス強度を増強する計画もあるため、より強い陽子ビームパルスに耐えるために、より効果的なピッティング損傷の抑制技術とターゲット容器の開発も進める必要が有る。本発表では、MFLの中性子源の現状と将来計画について紹介する。

In April 2024, the beam power at MLF attained 950 kW for the first time for long term user operation, and the beam power at the 3 GeV rapid cycle synchrotron (RCS) outlet was raised to 1 MW. This accomplishment means that the goal of the stable operation of the neutron source with 1 MW was almost achieved at last, and it's time to go on to the new stage of the neutron source R&D. There are two major challenges for the mercury target in the next stage. One is to attain the long-term operation of a mercury target. The service life of the target vessel is primarily determined by cavitation damage that occurs on the inner surface due to the injection of high-intensity pulsed proton beams. Until now, the vessel has been replaced annually to inspect the extent of the damage. However, based on the damage data obtained during 1 MW high-power operation, it has been determined that the vessel can withstand long-term operation for more than two years. Therefore, a new target vessel, which was replaced in 2024, is scheduled to be used for an extended period through 2027. Furthermore, since there are plans to increase the pulse intensity of the RCS in the future, it will be necessary to develop more effective pitting damage suppression techniques and new target vessels that can withstand even stronger proton beam pulses. In this presentation, the present status of the neutron source of MLF and future operation plans will be shown.