Unified description of the fission probability for highly excited nuclei

岩元 大樹

JAEA-Conf 2021-001, p.24 - 29, 2022/03

https://doi.org/10.11484/jaea-conf-2021-001

放射線挙動解析コードPHITSは、加速器駆動核変換システムや核破砕中性子源施設等における放射能・被曝線量評価及び施設の遮蔽設計に重要な役割を演じるが、PHITSの核破砕反応を記述するモデルINCL4.6/GEMは核分裂生成物の収量を大幅に過小評価することが知られており、モデルの高度化が求められている。本研究では、核分裂生成物の収量予測に重要なパラメータとなる「核分裂確率」を現象論的に記述するモデルを提案し、このモデルを粒子輸送計算コードPHITSに組み込まれている脱励起過程計算コードGEMの高エネルギー核分裂モデルに適用した。実験値との比較の結果、広範囲のサブアクチノイド核種に対する陽子入射、中性子入射及び重陽子入射反応に対して、核分裂断面積を統一的に予測でき、その予測精度は従来モデルよりも大幅に改善することを示した。さらに、本モデルを用いた解析により、核分裂生成物の同位体分布を精度よく求めるためには、核内カスケード過程計算コードINCL4.6における高励起残留核の記述の修正が必要であることを明らかにした[1]。これらの研究成果により、日本原子力学会核データ部会賞学術賞を受賞した。本研究会では提案したモデルおよび研究成果内容について報告する。[1] H. Iwamoto and S. Meigo, "Unified description of the fission probability for highly excited nuclei", Journal of Nuclear Science and Technology, 56:2, 160-171 (2019).

Estimation of uncertainty in proton-induced spallation neutron multiplicity for Pb, W, Fe, and C targets

岩元 大樹; 明午 伸一郎

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011046_1 - 011046_6, 2021/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011046

核反応で発生する核破砕中性子の収量(核破砕中性子多重度)は、加速器駆動核変換システム(ADS)やJ-PARC等の核破砕中性子源施設の核的性能および遮蔽設計値を決定するうえで極めて重要なパラメータであり、これらの施設設計の信頼性評価では、核破砕中性子多重度の不確かさに関する情報が必要となる。本研究では、ADSおよび核破砕中性子源施設で使用される代表的な4つの標的物質(鉛,タングステン,鉄および炭素)に対して、100MeVから3GeVまでの陽子入射による核破砕中性子多重度の不確かさを評価した。本評価では、過去に世界の加速器施設で測定された陽子入射中性子生成二重微分断面積の実験データをもとに、モンテカルロ粒子輸送計算コードPHITSの核反応モデル計算コードINCL4.6/GEMを用いて統計学的手法により不確かさを求めた。解析の結果、核反応モデルは4標的物質に対して実験値を比較的よく再現するものの、その再現性は標的によって異なり、実験値の不確かさおよび実験値間のばらつきにより、標準偏差に換算して28%から45%程度の相対的不確かさを持つことがわかった。今後は、本研究で得られた不確かさ評価結果をもとに、ADSや核破砕中性子源施設の核設計および遮蔽設計の信頼性評価を実施する。

A Comprehensive study of spallation models for proton-induced spallation product yields utilized in transport calculation

岩元 大樹; 明午 伸一郎; 松田 洋樹

EPJ Web of Conferences, 239, p.06001_1 - 06001_6, 2020/09

https://doi.org/10.1051/epjconf/202023906001

モンテカルロ粒子輸送計算コードは、加速器駆動核変換システム(ADS)及びJ-PARC等の高エネルギー陽子加速器・大強度中性子源施設の遮蔽設計で重要な役割を演じるが、モンテカルロ粒子輸送計算コードに組み込まれている核反応モデルは高度化の余地が残されている。本研究では、被ばく線量評価・放射能量評価で重要な核破砕生成物の核種生成断面積に関する実験データ及びモンテカルロ粒子輸送計算コード(PHITS, MCNP6及びGEANT4)で使用される最新の核反応モデル(INCL4.6/GEM, Bertini/GEM, JQMD2/GEM, JQMD2/SMM/GEM, CEM03.03, INCL++/GEMINI++, INCL++/ABLA07等)による解析結果と比較することで、現状のPHITS核反応モデルの予測精度を把握し、高度化に向けた課題を摘出した。実験値との比較では、ADS及び核破砕中性子源施設で重要な400MeVから1GeVの陽子入射エネルギー領域及び重標的核種に対する実験値を対象とし、ドイツGSIで測定された逆運動学による実験データ及びJ-PARCで測定された最新の結果を含む放射化法による実験データを使用した。比較の結果、PHITS推奨の核反応モデルINCL4.6/GEMは、核分裂生成物を過小評価し、蒸発残留核について同一元素に対して中性子過剰に評価する傾向を示すことが分かった。さらに、実験データが少ない中重核領域及び核分裂生成核種と蒸発残留核種の間の領域で、モデル間の差異が顕著であることを明らかにした。

Role of breakup processes in deuteron-induced spallation reactions at 100-200 MeV/nucleon

中山 梓介; 古立 直也; 岩本 修; 渡辺 幸信*

Physical Review C, 98(4), p.044606_1 - 044606_8, 2018/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.98.044606

近年、長寿命核分裂生成物(LLFP)の核変換処理に中高エネルギーにおける重陽子入射核破砕反応を利用することが提案されている。重陽子ビームを用いた核変換システムの設計研究のためには、LLFPに対する精度の良い重陽子入射反応断面積のデータが不可欠である。本研究では、核子当たり100-200MeVでのZrおよびPdに対する重陽子入射反応からの残留核生成断面積を、分解過程を明示的に考慮した計算コードDEURACSで計算した。その結果、計算値は実験データを定量的に良く再現した。また、成分に分けた解析から、非弾性分解後の核子吸収過程が残留核生成に大きな寄与を果たしていることがわかった。こうした結果は、重陽子入射反応における残留核生成の精度の良い予測のためには分解過程を考慮することが本質的に重要であることを強く示すものである。

Code development for the design study of the OMEGA program accelerator-driven transmutation systems

佐々 敏信; 辻本 和文; 滝塚 貴和; 高野 秀機

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 463(3), p.495 - 504, 2001/05

https://doi.org/10.1016/S0168-9002(01)00166-8

加速器駆動消滅処理システム(ADTS)の核特性及び燃焼特性を解析するATRASコードシステムの開発を行った。ATRASは、核破砕中性子源の影響を考慮した燃焼解析を行う独自の機能を備えている。ATRASは、核破砕解析コード、中性子輸送コード及び燃焼解析コードから構成される。燃料交換、入力データ作成、計算結果の解析を行うユーティリティプログラムもあわせて開発した。ATRASを用いて核破砕中性子ターゲットの核特性解析を行った。また、ATRASを用いて、ナトリウム冷却型ADTSの核特性及び燃焼特性の解析を行った。

大強度陽子加速器計画及び加速器駆動原子力システム研究開発の動向

向山 武彦

原子力システムニュース, 11(1), p.5 - 13, 2000/06

大強度陽子加速器を用いる核破砕中性子及び加速器駆動未臨界炉について簡単に解説をし、次いで加速器駆動未臨界炉技術開発の現状について紹介する。現状紹介においては原研・KEKが協力して推進している「大強度陽子加速器計画」について、その経緯、目的、施設概要について述べる。また、ヨーロッパ、米国等における研究活動について紹介する。

加速器駆動原子力システム研究開発の現状

向山 武彦

原子核研究, 44(6), p.23 - 32, 2000/04

大強度陽子加速器を用いた大強度中性子源や加速器駆動未臨界炉の研究開発の現状について述べる。特に、加速器原子力システムとして核破砕中性子源の特性と既存施設の概要と将来計画について述べ、その利用方策の一つとしての加速器駆動未臨界炉の研究、研究開発計画について紹介する。

Accelerator-driven transmutation reactor analysis code system: ATRAS

佐々 敏信; 辻本 和文; 滝塚 貴和; 高野 秀機

JAERI-Data/Code 99-007, 65 Pages, 1999/03

JAERI-Data-Code-99-007.pdf:2.12MB

日本原子力研究所では、大強度陽子加速器と未臨界炉心から構成されるハイブリッド消滅処理システムの設計研究を進めている。加速器駆動システムの核特性及び燃焼特性の解析は、炉心の未臨界度及びエネルギーバランスの維持という点から、重要である。これらの特性を正確に解析するには、従来の原子炉解析コードでは解析できない高エネルギー領域の反応を考慮する必要がある。著者らは、加速器駆動未臨界炉システムの核特性及び燃焼特性を解析するATRASコードシステムを開発した。ATRASは核破砕中性子源を考慮した燃焼特性解析を行う独自の機能を持つ。ATRASは核破砕解析コード、中性子輸送コード、燃焼解析コードから構成される。また、燃料交換、前/後処理等のユーティリティコードも組み込んだ。

Neutron science project and the OMEGA programme

向山 武彦; 高野 秀機; 大山 幸夫; 水本 元治; 日野 竜太郎; 池田 裕二郎

Proceedings of OECD/NEA Workshop on Utilization and Reliability of High Power Proton Accelerators, p.77 - 86, 1998/00

中性子科学研究計画の概要について説明し、そのなかでオメガ計画がどのように展開されるかについて述べる。内容は、中性子科学研究計画の経緯、研究施設とそこで展開される基礎研究、加速器駆動消滅処理技術開発、大強度陽子加速器の開発、核破砕ターゲットの開発、中性子科学研究計画のスケジュール等である。

陽子加速器・核分裂ハイブリッド炉核熱計算; エネルギー変換システムの研究

大坪 章; 小綿 泰樹

PNC TN9410 97-029, 39 Pages, 1997/03

PNC-TN9410-97-029.pdf:2.58MB

動燃では現在加速器による消滅処理研究の一環として、大電力電子線形加速器の研究をしている。そこで応用利用技術の一つとして、電子加速器とTRU燃料を用いた未臨界炉心体系を組み合わせたハイブリッド炉の核熱計算を昨年度行った。加速器と未臨界炉心体系を組み合わせたハイブリッド炉としては、良く知られているように電子加速器以外に陽子加速器を用いるハイブリッド炉がある。今年度は陽子加速器を用いるハイブリッド炉の核熱計算を実施して、両方のハイブリッド炉のTRU消滅特性を比較した。陽子加速器で加速された陽子ビームを、未臨界炉心体系の中央に位置するターゲット部に入射する。そして核破砕反応により中性子を発生させる。発生した中性子は周囲の未臨界炉心体系に入り、TRUを消滅させる。計算の結果、ビームパワー1MWの陽子線を1年間keffが0.95の未臨界炉心体系に入射した場合、TRU消滅量は約10kgになった。このTRU消滅量は、昨年度検討した電子加速器を用いるハイブリッド炉の場合のTRU消滅量の、約100倍である。