「レーザーの特徴を利用した研究開発IV」-東京大学弥生研究会-原子・分子の分光分析技術とその応用,3; レーザー法による原子炉厚板鋼材切断技術の開発

田村 浩司*; 遠山 伸一

日本原子力学会誌ATOMO, 62(5), p.268 - 271, 2020/05

レーザー法による切断技術は、制御性が高くロボットアームを用いた遠隔技術との整合性が高いなど利点が多く、原子力施設の廃止措置へ適用されるならば、有望な選択肢となりうると期待されている。しかし、原子炉圧力容器のような厚板鋼材への適用は従来容易ではなかった。本解説では、このような厚板鋼材のレーザー法による切断技術開発の最新成果として、板厚300mm鋼材や模擬圧力容器の切断実証、厚板鋼材切断条件の解析、切断過程観察、遠隔切断システム、重ね切断、ヒューム対策などについて紹介する。

高出力ファイバーレーザーを用いた切断及び除染の技術開発

遠山 伸一; 峰原 英介*

デコミッショニング技報, (56), p.55 - 65, 2017/09

若狭湾エネルギー研究センター(WERC)ではレーザー技術の産業応用として、大強度ファイバーレーザーを用いた鋼材切断技術開発を行ってきた。現在は今後の国内の原子力発電所の営業停止に伴う原子力施設廃止措置に適用するための解体切断と除染について並行して技術開発を行っている。原子力施設廃止措置は、世界的にもその技術は開発途上にあるが、必要性が増しており技術開発の進展が待たれている。ファイバーレーザーは、他のレーザーと比較し取扱いが容易で、飛躍的な熱密度等の性能向上に伴い切断性能や剥離性能を持つ機器を開発することによって2次汚染や被ばくの抑制が可能となる。本報告では、原子炉解体のための厚板切断技術開発と高線量下でも稼働する除染機開発の最近の成果について、鋼材や機器の切断試験や構成機器の耐放射線試験結果を交えて示す。

大電流電子線加速器の開発

野村 昌弘; 遠山 伸一; 田中 拓; 武井 早憲; 山崎 良雄; 平野 耕一郎; 大村 明子

JNC TN9410 2000-007, 376 Pages, 2000/03

JNC-TN9410-2000-007.pdf:15.51MB

昭和63年10月に原子力委員会・放射性廃棄物対策専門部会で策定された「群分離・消滅処理研究技術研究開発長期計画(通称:「オメガ計画」)」に沿って、大洗工学センターでは、その計画の一部である「電子線加速器による消滅処理」の研究を実施してきた。これは、電子線加速器で作られる高エネルギーガンマ線を用いて光核反応によりセシウム、ストロンチウム等の放射性核分裂生成物を安定な核種に変換する研究であるが、この消滅処理研究を工学的な規模で実施するためには100mA-100MeV(ビーム出力10MW)級の電子線加速器が必要であると推定され、「オメガ計画」の第1期の課題である大電流電子線加速器のビーム安定化等に関する要素技術の開発として20mA-10MeV(ビーム出力200kW)を開発目標として大電流電子線加速器の開発を行ってきた。本電子線加速器は、平成2年度から高エネルギー物理学研究所、放射線医学総合研究所、大学等の協力を得て技術開発に着手、平成5年度から大電流電子線加速器の製作を開始した。その後、加速器の心臓部とも言える入射部系が完成し、性能試験を平成8年3月から9月にかけて実施した。平成9年3月には本加速器の主要設備全ての据付けが完了したが、サイクル機構の諸事情等もあり、大幅に遅れ平成11年1月から性能確認のための加速器運転を開始、平成11年12月まで継続してきた。試験結果としては、まだ開発途中であり、長時間・安定に至っていないが、ビーム出力約14kWを達成した。また、短時間であるが、ビーム出力約40kWの運転も可能とした。本報告書では、サイクル機構で開発してきた大電流電子線加速器の開発を開始当時まで振り返って、開発の経緯、要素機器の開発、設備・機器の設計、加速器の性能確認試験等の事項について、総括的にまとめた。

Development of accelerating unit for high beam current

中山 元林; 遠山 伸一; 野村 昌弘; 平野 耕一郎; 山崎 良雄; 佐藤 勇

JNC TN9400 99-073, 18 Pages, 1999/08

JNC-TN9400-99-073.pdf:0.57MB

線形加速器だけでなく、円形加速器や蓄積リングを含めた大電流加速器として進行波還流型加速構造を提案する。その構造は常伝導の加速構造であるが、連続波でビーム電流を10Aまで加速することが可能である。このような加速管では大電流においてビーム不安定性による共鳴電界が発生し易く、空洞内で発生した高次モードを消すためにはビーム輸送の口径を大きくする必要がある。このような加速構造は、高効率であるだけでなく大電力入力も可能であり、また励起モードの蓄積エネルギーも非常に小さい。このような加速管は、シングルモード型と呼ばれており、円形加速器の位相安定化のためビームがRFの最適位相からずれても、空洞のデチューニングは必要としない。本報告書では、このような特徴を有する大電流加速管について、検討結果を報告する。

大電流CW電子線形加速器からの電子ビームを用いた中性子発生の検討

遠山 伸一

JNC TN9400 99-039, 39 Pages, 1999/04

JNC-TN9400-99-039.pdf:1.6MB

サイクル機構では大電流CW電子線形加速器の開発を進めている。加速器では、スポレーションや光核反応により、中性子の発生が可能である。大電流CW電子線形加速器から発生する大電流の電子線の利用方法の一つとして、制動輻射により発生する中性子源としての利用が考えられる。実際に、数100MeVの電子線形加速器では中性子を利用する施設として用いられている場合が多い。本報告では、量子工学試験施設の大電流CW電子加速器による中性子の発生量を評価した。本加速器の現在の最大加速電子エネルギーは10MeVと低いが、設備の能力を勘案して加速し得るエネルギー17、35MeVも含め評価した。また、中性子発生標的には、通常用いられる重金属に加えて、発生しきい値の低いベリリウムを中性子発生標的として評価を行った。評価は、中性子発生効率を高めるため、標的物質の輻射長や中性子断面積から標的での電子エネルギー損失や中性子エネルギー損失が最小となる厚みを仮定し、既存の核データを用いて評価した。その結果、ベリリウムや鉛を標的として既存の加速器能力では、10MeVで1.910の10乗個/秒、17MeVで6.110の13乗個/秒、RFの増強を行ない、デューティの小さくなる35MeVで4.810の13乗個/秒程度のスポット中性子源が得られることが分かった。中性子収量を増大させるためには、光核反応による標的の熱除去が課題であり、そのためにしゃへいや冷却系の増強が必要となることが分かった。また、他施設との比較を行なった。結果評価で得られた中性子数では、中性子ラジオグラフィ等の照射試験のほか、鉛スペクトロメータ等による核データの測定が実施されていることが判明した。

Analysis of beam acceleration and instability on TWRR accelerator structure in PNC by beam-cavity interaction

遠山 伸一

PNC TN9410 98-075, 24 Pages, 1998/07

PNC-TN9410-98-075.pdf:0.47MB

大電流の安定加速では、ビーム発散を防止するため、荷電効果を考慮に入れることが重要である。現在動燃で開発が進められている大電流電子線形加速器は、ビーム発散閾値を小さくし、また観測された際には加速器を抑制して、ビーム発散の抑制を実験的に研究することを目的としている。今までの解析では、荷電効果によるビーム方向垂直面の発散力を数値解析し、1アンペアの電流までビーム発散が生じないことが分かっている。今回の報告では、ビーム電流による荷電効果を考慮したビーム進行方向の加速特性を解析した。まず、進行波と定在波両者の加速特性の解析式を求め、エネルギー変換効率や加速利得が計算される。次に、進行波と定在波構造の特徴を長さ1mの加速管を基準に比較する。その後、加速管の運転周波数の決定のために、エネルギー変換効率の観点からRF(高周波)加速周波数の最適化について議論する。最後に、エネルギー変換効率や加速利得の観点で、進行波還流型加速管(TWRRと呼ばれる)の特性が進行波と定在波の長所を持つことを示し、ビーム発散の一つの原因であるビーム加速方向の誘導電界をビーム-空洞相互作用から計算したロスパラメータから評価する。解析の結果、長さ1mの進行波還流型加速管は高効率が高く、ビーム進行方向のビーム発散の小さいことが分かった。今までのビーム方向垂直面の解析と併せて、全体のビーム発散も小さいことが分かった。

Status of PNC high power CW electron linac

中山 元林; 江本 隆; 野村 昌弘; 山崎 良雄; 遠山 伸一; 平野 耕一郎

Proceedings of The First Asian Particle Accelerator Conference (APAC98), 0 Pages, 1998/00

動燃事業団では,核種分離消滅処理研究の一環として,大電力電子線形加速器の開発を行っている。1.2MWCWのクライストロン,進行波環流型加速管,エミッタンスを低く押さえる為のチョッパーシステム,ビームダンプ等は既に開発しており,去年第一加速管まで含んだ入射部の試験を行った。結果は電流値100mA,パレス幅3msecの電子ビームを繰り返し0.1Hzで3MeVまでエネルギーの拡がりを押さえて加速する事に成功した。今後は,加速器全体の試験を行い,徐々にデューティーを上げていく予定である。会議では主に入射部試験の結果について発表する。

Analysis of beam envelope by transverse space charge effect

遠山 伸一

PNC TN9410 97-056, 46 Pages, 1997/09

PNC-TN9410-97-056.pdf:0.96MB

ビーム発散を防ぐため、大電流加速器では空間荷電効果を見積もることが重要である。前回のレポートでは、ビームの膨れ評価に非加速のビーム(コースティングビーム)包絡線方程式を用いた。これに替わって、より一般的な加速系での空間荷電効果を含むビームの評価は今後予定される大電流CW電子線形加速器の試験で重要である。そのため、解析の基本式である包絡線方程式の加速ビームへの一般化、パラメータの定義を行う。これによる評価は、本格的なコード計算の準備や解の予想を十分な精度で確保できるものとする。得られた 非線形の放絡線方程式を、精度が確保できるソフトウエアを用いてパーソナルコンピュータ上で数値計算する。パラメータは、電子ビームエミッタンス、電流及びエネルギーである。計算の結果により、ビームの横方向発散は、設計値では十分に小さいことが分った。ビームの拡がりは設計ビームエミッタンスの寄与が殆どである。100MeVでは、縦方向の空間荷電効果は無視できる。よって、RF供給等の問題を別として、PNCの加速構造で10Aまで縦方向空間荷電効果は大きな問題にならない。今後は、残されているビームバンチ効果を評価することが重要である。

Status of the PNC high power electron accelerator

江本 隆; 中山 元林; 遠山 伸一; 野村 昌弘; 武井 早憲; 平野 耕一郎

NEA P&T国際会議, 0 Pages, 1996/00

動燃事業団では、将来、放射性廃棄物の消減処理を行う可能性を探る研究を行っている。消減処理に対していくつかの方法が提案されているが、電子線加速器を用いると、二次的な放射化が少ないことや、広範な加速器技術を利用することができる。現在開発中のエネルギー10MeV進行波還流型大電子線形加速器の前段部分を設置し、入射部試験を実施している。これまでに、進行波還流型加速管にビーム電流100mAのビーム負荷を加えることができた。またパルス幅が1msecという長い電子ビームを安定に加速することができた。今後、残りの加速管6本を平成8年度までに設置し、平成9年度から全加速器の運転試験を開始する予定である。

大強度CW電子線形加速器の要素開発(VI); 入射部における電子軌道解析,1

野村 昌弘; 山崎 良雄; 遠山 伸一; 江本 隆

PNC TN9410 94-190, 37 Pages, 1994/05

PNC-TN9410-94-190.pdf:1.21MB

大強度電子線形加速器では空間電荷効果が大きいので、この影響を最も受ける入射部の設計は非常に重要である。この入射部の主な加速器要素は200kVのDCタイプの電子銃、磁場レンズ、RFチョッパー、チョッパースリット、プリバンチャー、バンチャー及び第1加速管である。これらの要素を効率良く組み合わせて入射部を設計するための電子軌道のシミュレーションをPARMELAと呼ばれる計算コードを用いて行った。ただしPARMELAでは磁場レンズやRFチョッパーは計算できないので大幅な改造を行った。本報告書では、電子銃からソレノイドコイルまで、RFチョッパーからチョッパースリットまでとこれらを合わせた電子銃からチョッパースリットまでの3つのシミュレーション結果を報告する。これらのシミュレーション結果から、電子銃とソレノイドコイルの間に2台の磁場レンズを挿入することによりエミッタンスの増加を低く押さえられること、今回考案した新しいチョッパーシステムを用いることにより入射部出口でのエミッタンスを10mmmrad程度まで押さえられること等が確かめられた。