Measurement of activation cross sections of aluminum for protons with energies between 0.4 GeV and 3.0 GeV at J-PARC

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 6, p.171 - 174, 2019/01

https://doi.org/10.15669/pnst.6.171

核破砕中性子源や核変換システムの核設計の精度向上のためには高精度な核反応断面積が必要となり、コスト削減やより精度の高い遮蔽設計のためには放射化断面積の精度向上が必要とされる。放射化断面積は、これまでに既存施設において測定されてきたものの実験データにおいてバラつきが大きく必ずしも十分な精度でない。特にJ-PARCの核破砕中性子源で用いられている3GeV陽子のデータはほとんどないため、ターゲット構造材の更なる安全性向上のために実験データが必要となる。そこで我々は、J-PARCの加速器施設を用いてターゲット構造材や窓材に使用される核種の測定するためにタングステン、金、インジウム、及びベリリウムの放射化断面積を0.4, 1.3, 2,2及び3GeVの陽子に対し測定した。また試料固定用に設置したアルミニウムの放射化断面積を測定することにより実験の妥当性を検証した。測定で得た実験データを評価済み核データ(JENDL-HE 2007)、及び核内カスケードモデル計算と比較検討した。この結果、アルミニウムの実験結果は、JENDL-HE 2007は実験と比較的よい一致を示すことがわかった。一方、PHITSの核内カスケードモデルによる計算は、実験を約40%程度過小評価することがわかった。この過小評価の原因はPHITSに含まれる蒸発過程モデル(GEM)に問題があることが考えられ、GEMの改良により実験結果を再現できることが分かった。アルミニウム以外の核種は現在解析中であるが、PHITSコードによる計算結果は実験値を再現するものとしないものとあり体系的に比較する必要がある。

Proton-induced activation cross section measurement for aluminum with proton energy range from 0.4 to 3 GeV at J-PARC

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

Journal of Nuclear Science and Technology, 55(8), p.955 - 961, 2018/08

https://doi.org/10.1080/00223131.2018.1461694

大強度陽子加速器施設(J-PARC)において広く用いられる構造材に対する陽子入射の核破砕反応による放射化断面積をシステマティックに測定するための一連の実験を開始した。J-PARCの3GeVシンクロトロン陽子加速器施設において提案した測定方法の妥当性の確認のため、実験データが比較的豊富に存在するアルミニウムの断面積を測定した。陽子入射に伴い、アルミニウムよりBe, Na、およびNaを生成する断面積を、0.4, 1.3, 2.2, 3.0GeVのエネルギーに対し測定した。有効照射陽子数決定法により実験データの妥当性を確認し、問題ないことを確認した。本実験で得た断面積を、既存の実験データ,評価済み核データ(JENDL-HE/2007)およびPHITSによる計算値と比較した。JENDL-HE/2007は実験データと一致を示したものの、PHITSによる計算値は40%程度過小評価した。この原因には、PHITSに用いられる蒸発モデルに起因すると考えられたため、Furihataにより提案されたGEMモデルを適用したところ、実験を再現できるようになった。

Radiation damage calculation in PHITS and benchmarking experiment for cryogenic-sample high-energy proton irradiation

岩元 洋介; 松田 洋樹; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 中本 建志*; 吉田 誠*; 石 禎浩*; 栗山 靖敏*; 上杉 智教*; 八島 浩*; et al.

Proceedings of 61st ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams (HB 2018) (Internet), p.116 - 121, 2018/07

https://doi.org/10.18429/JACoW-HB2018-TUP2WE03

放射線挙動計算コードPHITSにより放射線照射による材料損傷評価の基礎データを解析するため、入射粒子と核反応から生成する二次粒子によるターゲット1次はじき出し原子(PKA)のエネルギーを考慮した照射損傷モデルを開発した。このモデルを用いた解析により、100MeV以上の高エネルギー陽子による照射損傷において、二次粒子により生成したターゲットPKAの寄与が入射陽子によるPKAの寄与に比べて大きいことがわかった。また、高エネルギー陽子照射に対する照射損傷モデルを検証するため、サンプルを極低温まで冷却するギフォード-マクマフォン冷凍機を用いた陽子照射装置を開発した。本装置を用いて、125及び200MeV陽子を照射した銅とアルミニウムについて、はじき出し断面積に関連する極低温での欠陥に伴う電気抵抗率変化を測定した。実験値と計算値の比較の結果、欠陥生成効率を考慮したはじき出し損傷の計算値が実験値を良く再現することがわかった。

The Measurements of neutron energy spectrum at 180 degrees with the mercury target at J-PARC

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012017_1 - 012017_4, 2018/06

https://doi.org/10.1088/1742-6596/1021/1/012017

180方向に放出される核破砕中性子は将来のADS(加速器駆動未臨界システム)の遮蔽計算や核物理の観点から重要である。しかし、測定の困難さからこれまでほぼ全く測定されてこなかった。われわれは初めて180方向に放出された水銀核破砕中性子のエネルギースペクトルをJ-PARCのMLFへの陽子ビーム輸送ライン(3NBT)においてNE213液体シンチレーターを用いて測定した。ターゲットに照射される陽子エネルギーは3GeVで、強度は110個以上である。中性子のエネルギーはn-弁別を用いて信号を分離した後飛行時間法で決定した。またPHITSを用いて実験のセットアップを模して計算を行い、実験値との比較を行なった。本稿では実験概要及び測定結果などを報告する。

Shielding analysis of Transmutation Experimental Facility

岩元 大樹; 松田 洋樹; 明午 伸一郎

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012049_1 - 012049_4, 2018/06

https://doi.org/10.1088/1742-6596/1021/1/012049

400MeVに加速された最大出力250kWの負水素イオンビームを条件に、J-PARCセンターが建設を計画している核変換実験施設(TEF: Transmutation Experimental Facility)におけるADSターゲット試験施設(TEF-T: ADS Target Test Facility)の遮蔽解析を行った。解析にはMonte Carlo粒子輸送計算コードPHITSを使用し、高エネルギー核反応モデルにINCL4.6及びGEMを用いた。解析対象は鉛ビスマス標的から生成される中性子を遮蔽するターゲットステーション、ビーム調整に使用するビームダンプ、鉛ビスマス標的を取り扱うホットセル、及び400-MeV LINACから鉛ビスマス標的までのビーム輸送系の遮蔽構造とし、解析によりTEF-T全体の施設の構造を決定した。さらに、解析の結果、鉛ビスマス標的から陽子ビーム入射に対し180度方向に生成・放出される中性子が施設の遮蔽設計に重大な影響を与えることが分かった。

Cross section measurement in J-PARC for neutronics of the ADS

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 大樹

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp '17) (Internet), p.396 - 402, 2018/05

核変換実験施設の要素技術試験の一環として、加速器とターゲットステーションの隔壁となるアルミ合金製の陽子ビーム窓の寿命評価のためにアルミの放射化断面積を測定した。J-PARCの3GeV陽子シンクロトロンのビームダンプにアルミフォイルを設置し、0.4及び3GeV陽子を入射しAl(p,x)Be, Al(p,x)Na及びAl(p,x)Na反応の断面積を測定した。J-PARCの加速器施設は、陽子ビームの強度モニタが高精度に校正されていること等により、既存の実験データより高い精度で断面積が測定できた。本実験結果と評価済み核データ(JENDL/HE-2007)の比較の結果、JENDL/HE-2007は最大で30程度の違いはあるものの、概ね実験結果をよく再現することがわかった。PHITSコードよる計算との比較を行った結果、最新の核内カスケードモデルは、励起関数の形状は実験を再現するものの40程度の過小評価を与えることがわかった。PHITSに用いられている統計崩壊モデル(GEM)の代わりにオリジナルのGEMモデルを用いて計算したところ、実験との一致が改善することがわかった。他の核種の反応断面積測定を今後予定しており、これにより核データや核反応モデルの高度化が期待できる。

J-PARC核変換実験施設・ADSターゲット試験施設における鉛ビスマス漏洩事象時の影響評価

岩元 大樹; 前川 藤夫; 松田 洋樹; 明午 伸一郎

JAEA-Technology 2017-029, 39 Pages, 2018/01

JAEA-Technology-2017-029.pdf:2.68MB

J-PARC核変換実験施設のADSターゲット試験施設において、250kW出力ビーム運転時に ターゲットとして使用される鉛ビスマスが鉛ビスマス循環系から漏洩し、放射性物質が排気筒か ら外部へ放出された場合の事業所境界における公衆が受ける被ばく線量について、様々な保守的 仮定を想定しながら評価した。その結果、事業所境界における被ばく量は約660Svであり、その大部分は鉛ビスマスから核破砕生成物として発生する水銀, 希ガスおよびヨウ素による寄与であることがわかった。保守的な事象想定にもかかわらず、被ばく量の合計は一般公衆が受ける年間被ばく量よりも低い値であり、本施設が放射性物質の漏洩に対して十分な安全裕度を持つことが示された。

J-PARC MLF水銀標的からの後方角核破砕中性子のスペクトル測定

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

no journal, , 

原子力機構等が提唱する加速器駆動システム(ADS)では、数GeVに加速された陽子を鉛ビスマス融解塩に入射し、核破砕中性子によりマイナーアクチニド等の核変換を行う。中性子源からの後方角に放出される中性子の挙動が遮蔽の観点で重要となる。J-PARCの核破砕中性子源(MLF)においても、水銀標的上流側のビーム輸送系の機器において放射化が発生しており、この原因の特定はMLFの大強度ビームの安定運転に必要となる。そこでMLFにおいて水銀標的からの入射陽子に対して180度方向に生成する中性子の絶対強度スペクトルをシンチレータ(BC501A)で測定した。測定の結果、ビーム損失で起因する中性子生成は無視できる程小さく、線源から後方角に生成する中性子による放射化が発生していることがわかった。またPHITSの計算との比較を行い、1MeV以上のエネルギ範囲においてスペクトル形状および強度は実験と良い一致を示すことがわかった。

J-PARC MLF水銀標的から放出される180度方向核破砕中性子エネルギースペクトルの測定

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹

no journal, , 

現在、世界各国で研究開発が進められているADSを含む大強度中性子源施設は、標的の周りに重厚な遮蔽体を置くことで周囲の線量を低く抑える構造となっているが、標的上流側の180方向には陽子ビームダクトを介して大量の核破砕中性子が漏洩し、この漏洩中性子が施設の遮蔽設計に重大なインパクトを与える。そのため、核反応モデルによる180方向における核破砕中性子エネルギースペクトルの予測精度の向上は、当施設の遮蔽設計に極めて重要である。本研究では、大強度陽子加速器施設J-PARCの加速器から加速された3GeV陽子ビームを物質生命科学実験施設MLFの水銀標的に照射し、標的から180方向に放出される核破砕中性子のエネルギースペクトル測定実験を実施した。測定実験では、飛行時間法を用い、核破砕中性子収量が支配的である0.5MeVから20MeV付近のエネルギー領域を測定した。標的から約125m上流側に設置された偏向電磁石付近に液体有機シンチレータを設置し、様々なビーム強度を変更した条件において中性子エネルギースペクトルを測定した。オフライン解析により、パイルアップ及び検出効率を考慮した補正を行い、中性子エネルギースペクトルを決定した。PHITSコードに組み込まれている核反応モデルとの比較の結果、INCL4.6/GEMは0.8MeVから20MeVの範囲で実験値をよく再現することが分かった。

The Analytical prediction of inventories and physicochemical composition of spallation products produced in Lead-Bismuth Eutectic of Accelerator Driven System

宮原 信哉*; 有田 裕二*; 大平 直也*; 佐々 敏信; 前川 藤夫; 松田 洋樹

no journal, , 

鉛ビスマス共晶(LBE)合金は加速器駆動システム(ADS)の核破砕中性子ターゲットや冷却材として用いられ、核破砕生成物として多くの元素が生成するため、その放出および輸送挙動を評価することが重要である。そこで、J-PARCのADSターゲット試験施設(TEF-T)のLBEループについて、LBE中に生成する核破砕生成物のインベントリおよび物理化学的組成について検討した。LBE内の核破砕生成物インベントリは、PHITSコードを使用して評価した。LBE中の核破砕生成物の物理化学的組成は、350C500CのLBE運転温度及びLBE中の酸素濃度10ppb1ppmの条件下、Thermo-Calcコードを用いて計算した。計算の結果、Hg, Tl, Au, Os, Tcの5元素がすべての条件下でLBEに可溶であり、化合物は形成されなかった。Ce, Zr及びYの酸化物はLBE中でCeO, ZrOおよびYOとして安定であることが示唆された。