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論文

Fast fault recovery scenarios for the JAEA-ADS linac

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 中野 敬太; 武井 早憲; 前川 藤夫; 明午 伸一郎

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.61 - 65, 2021/10

日本原子力研究開発機構(JAEA)が提案する加速器駆動未臨界システム(ADS)の主要コンポーネントとして、30MW CW超伝導陽子線形加速器の設計を進めている。未臨界炉における熱応力の抑制のため、線形加速器には高い信頼性を持つことが主要な課題となる。本研究では、JAEA-ADS線形加速器のフォールトトレランスの能力を高めるための手法について検討を進め、ビーム運転を高速で復旧し停止期間を短縮できる障害補償スキームについて検討した。

論文

Design of the MEBT for the JAEA-ADS Project

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.790 - 792, 2021/08

原子力機構(JAEA)が提案する核変換システム(ADS)において、Medium Energy Transport Beam (MEBT)は、電流20mA、エネルギー2.5MeVの連続したCW陽子ビームを、常伝導のRadio-Frequency Quadrupole (RFQ)の出口からHalf-Wave Resonator(HWR)セクションに輸送する。MEBTは、RFQとHWRの間の良好なマッチング、およびビームエミッタンスの増加とハロー形成の抑制した効果的なビーム制御が必要となる。このために、ビーム診断機器のための十分なスペースを装置間に設ける必要がある。本報では、JAEA-ADSのMEBTにおける初段ラティス設計とビームダイナミクス研究を報告する。

論文

Multipacting studies for the JAEA-ADS five-cell elliptical superconducting RF cavities

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤; Cicek, E.*

Proceedings of 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC 21) (Internet), p.793 - 795, 2021/08

原子力機構で検討している核変換システム(ADS)では、線形加速器(LINAC)の大強度陽子ビーム(600MeV-1.5GeV)を用いる。LINACの終段加速部では、楕円超伝導高周波空洞(SRFC)を用いる予定であり、その性能評価は重要である。加速器の信頼性向上のためには、空洞は低い電磁場ピークを持つことが望まれる。一方、経済性を考慮すると高い加速度勾配が望まれる。本検討では、この両者を達成するための検討を行い、空洞の形状を最適化した。また、ビームに起因する影響の評価として、マルチパクタリングの検討を進め、その対策法について検討した。

論文

A Plan of materials irradiation facility at J-PARC for development of ADS and high-power accelerator facilities

前川 藤夫

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011042_1 - 011042_6, 2021/03

加速器駆動核変換システム(ADS)開発にあたり、ビーム窓(BW)材料の開発は主要課題の1つである。BWは高エネルギー陽子及び核破砕中性子に、また約500$$^{circ}$$Cの腐食性のある高温鉛ビスマス共晶(LBE)合金に曝される。また最近では、加速器施設の高出力化にあたり、高出力加速器のみならず高出力標的が放射線損傷や熱除去の点で律速となっている。ADSを含む高出力加速器施設のBW及び標的材料の放射線損傷研究に資するため、J-PARCのLinacにより供給される400MeV 250kWの陽子ビームを利用した材料照射施設の検討を行っている。標的にはADSの標的兼冷却材である流動LBE合金を用いる。標的中で鋼材を1年間照射下場合の放射線損傷は最大で10dpaとなり、これはADSのBWの年間放射線損傷量に相当する。現時点での施設概念では、本施設で効率的に照射後試験を行うためのホットラボを付設する。発表では、本施設の概要について述べる。

論文

RF design of the prototype spoke cavity for the JAEA-ADS linac

田村 潤; 近藤 恭弘; Yee-Rendon, B.; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 長谷川 和男; 加古 永治*; 梅森 健成*; 阪井 寛志*; 許斐 太郎*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011049_1 - 011049_6, 2021/03

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an accelerator-driven subcritical system (ADS) as a future project to transmute long-lived nuclides to short-lived or stable ones. In the JAEA-ADS, a high-power proton beam of 30 MW with the beam energy of 1.5 GeV and with the beam current of 20 mA at an exit of the accelerator is required with sufficient reliability. Furthermore, the linac needs to be operated in a continuous wave (CW) mode in order to be compatible with the reactor operation. Since a normal conducting structure raises a difficulty in cavity cooling under the CW operation, a superconducting (SC) linac would be a suitable solution. As the first step toward the complete design of the JAEA-ADS linac, we are planning to demonstrate a high-field measurement by manufacturing a prototype spoke cavity. It will provide us an insight for the development of the low-beta SC cavity. It will also enable us to acquire valuable information such as the accelerating gradient under the stable operation. In this symposium, the RF design of the prototype cavity including multipacting analysis is presented.

論文

Measurement of displacement cross section for proton in the kinetic energy range from 0.4 GeV to 3 GeV

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011050_1 - 011050_6, 2021/03

加速器駆動型核変換システム(ADS)では、加速器の真空領域と標的領域の隔壁となるビーム入射窓の開発が重要となる。ビーム窓の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(DPA)が用いられるが、DPAの導出に用いられる弾き出し断面積の実験データは20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対しほとんどないため、ADSにおいて重要な0.4$$sim$$3GeV陽子における弾き出し断面積の測定を開始した。弾き出し断面積は、損傷を維持するため極低温に冷却された試料の陽子入射に伴う抵抗率変化を陽子フルエンスとフランケル対当たりの抵抗率変化で除することにより導出できる。実験はJ-PARCセンターの3GeV陽子シンクロトロン施設で行い、アルミ及び銅を試料として用いた。実験で得られた断面積と一般的に弾き出し断面積の計算に使用されるNRTモデルの計算との比較の結果、NRTモデルの計算は実験を約3倍過大評価することが判明した。

論文

Nuclide production cross sections of Ni and Zr irradiated with 0.4-, 1.3-, 2.2-, and 3.0-GeV protons

竹下 隼人; 明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 大樹; 前川 藤夫; 渡辺 幸信*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011045_1 - 011045_6, 2021/03

加速器駆動核変換システム(ADS)における核設計の高度化のため、ADSで使われる材料であるNiとZrについて、数GeVエネルギー領域における陽子入射の核種生成断面積測定を行い、核設計に用いる計算コードPHITSによる計算値やJENDL/HE-2007との比較検討を行った。

論文

Measurement of nuclide production cross-sections of $$^{mathrm{nat}}$$Fe for 0.4-3.0 GeV protons in J-PARC

松田 洋樹; 竹下 隼人*; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 岩元 大樹

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011047_1 - 011047_6, 2021/03

精度の良い核種生成断面積は加速器駆動核変換システム(ADS)設計における放射性廃棄物の取り扱い、放射性廃棄物の遠隔での取り扱い方法の設計、及び放射線作業従事者の被ばく評価に必要とされる。今日まで数多くの実験が行われてきたが、測定データ誤差が数十%を超えるものが時には存在し、いくつか重要な核種に対してはGeVエネルギー領域において実験データが存在しないものがある。この研究では鋼材の最も重要な構成元素である鉄の陽子入射による核種生成断面積を測定した。実験データはPHITSコードに組み込まれているBertiniやINCL4.6モデルを用いて計算した値、及び評価済み核データJENDL-HE/2007と比較した。この研究では(p,xn)反応を介した生成断面積に大きな食い違いがあることが明らかとなった。これは核子-核子散乱やパウリブロッキングなどのさらなる改良が核内カスケードモデルに必要であることを示唆するものであった。

論文

Present status of the R&D of the superconducting linac for the JAEA-ADS

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011043_1 - 011043_5, 2021/03

原子力機構(JAEA)では、放射性廃棄物の有害度低減を目的とし加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発を行っている。JAEAが提案するADSは、30MWのCW陽子リニアックと未臨界炉の結合で構成される。陽子の運動エネルギー1.5GeVの到達のため、常電導高周波キャビティ(NRFC)と超電導高周波キャビティ(SRFC)が用いられ、SRFCは2MeVから1.5GeVまでの加速の主要部分に用いられる。加速器開発の第一段階として、SRFCのモデルとビーム光学系の設計と最適化に重点が置いた。SRFCでは、半波長共振器(HWR),シングルスポーク(SS),楕円空洞(Ellip)をそれぞれ162, 324, 648MHzで動作させて加速する。ビーム光学系は、等分割条件を満たすように最適化されており、エミッタンス増長の抑制により、ビームのハローとロスを低減することができた。

論文

Measurement of thick target neutron yield at 180$$^{circ}$$ for a mercury target induced by 3-GeV protons

松田 洋樹; 岩元 大樹; 明午 伸一郎; 竹下 隼人*; 前川 藤夫

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 483, p.33 - 40, 2020/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Instruments & Instrumentation)

大強度陽子加速器施設J-PARCにおいて、3GeV陽子入射による水銀標的から180度方向に放出される中性子のエネルギースペクトルを測定した。得られた結果は、粒子輸送計算コードPHITSによる計算結果と明らかな差異が見られ、その傾向はインジウムやニオビウムの放射化箔を用いた反応率実験の結果と一致することがわかった。鉛標的に対するGeV領域陽子入射中性子二重微分断面積の後方角におけるエネルギースペクトルの実験データとPHITSの核反応モデルを比較したところ、この差異は3GeV付近における核反応モデルによる中性子生成あるいは弾性散乱外断面積の記述に起因していることが示唆された。

論文

Measurement of displacement cross-sections of copper and iron for proton with kinetic energies in the range 0.4 - 3 GeV

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(10), p.1141 - 1151, 2020/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:76.41(Nuclear Science & Technology)

加速器駆動型核変換システム(ADS)等の陽子ビーム加速器施設におけるビーム窓などの構造材の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(dpa)が損傷指標として広く用いられる。dpaの評価は弾き出し断面積に基づいて行われるものの、20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対する弾き出し断面積の実験データは乏しく、計算モデルの間でも約8倍の差が存在している。このため、弾き出し断面積を実験的に取得するのは計算に用いるモデルの評価のために重要となる。弾き出し断面積の取得のため、J-PARCの加速器施設において、0.4-3GeVにわたる陽子エネルギー領域における銅と鉄の断面積を測定した。弾き出し断面積は、損傷を保持するために極低温に冷却された試料における、陽子ビームに金する抵抗率変化により得ることができる。本測定で得られた実験結果を元に、計算モデルの比較検討を行った。広く用いられているNorgertt-Robinson-Torrens (NRT)モデルは、実験値を3.5倍過大評価することが判明した。一方、近年の分子動力学に基づく非熱的再結合補正(arc)モデルは実験値をよく再現したため、銅と鉄の損傷評価にはarcモデルを使うべきであると結論づけられた。

論文

Measurement of nuclide production cross section for lead and bismuth with proton in energy range from 0.4 GeV to 3.0 GeV

松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹; 前川 藤夫

EPJ Web of Conferences, 239, p.06004_1 - 06004_4, 2020/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.19

加速器駆動核変換システム(ADS)における鉛ビスマス標的を取り扱う上では、標的において核破砕および高エネルギー核分裂反応による核種生成断面積が重要である。しかしながら、核種生成断面積の実験データは乏しい。この実験データを取得するために、$$^{mathrm{nat}}$$Pbおよび$$^{mathrm{209}}$$Biサンプルを用いてJ-PARCにおいて実験を行った。0.4GeVから3.0GeVのエネルギーの異なる陽子をサンプルに照射し、HPGe検出器を用いた崩壊ガンマ線のスペクトル測定により$$^{mathrm{7}}$$Beから$$^{mathrm{183}}$$Reの広範囲にわたる核種生成断面積を得た。実験値を評価済み核データライブラリ(JENDL-HE/2007)、PHITS及びINCL++コードを用いた計算値とで比較した。本実験値は他の実験と矛盾のない結果であり、また他の実験と比べ高精度で測定できた。軽核種を生成する反応では、$$^{mathrm{7}}$$Beの生成断面積は、JENDLおよびPHITS及びINCL++コードによる計算は比較的良い一致を示すものの、$$^{mathrm{22}}$$Naは実験の1/10程度となり過小評価することがわかった。中重核から重核の生成では、PHITSはINCL++と同様に実験をファクター2程度の精度で再現することがわかった。PHITS及びINCL++の励起関数の極大となるエネルギーは実験とよい一致を示すものの、JENDL-HEは実験より低いことが判明した。

論文

Measurement of displacement cross section of structural materials utilized in the proton accelerator facilities with the kinematic energy above 400 MeV

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

EPJ Web of Conferences, 239, p.06006_1 - 06006_4, 2020/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.19

加速器駆動型核変換システム(ADS)では、加速器の真空領域と標的領域の隔壁となるビーム入射窓の開発が重要となる。ビーム窓の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(DPA)が用いられるが、DPAの導出に用いられる弾き出し断面積の実験データは20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対しほとんどないため、ADSにおいて重要な0.4$$sim$$3GeV陽子における弾き出し断面積の測定を開始した。弾き出し断面積は、損傷を維持するため極低温に冷却された試料の陽子入射に伴う抵抗率変化を陽子フルエンスとフランケル対当たりの抵抗率変化で除することにより導出できる。実験はJ-PARCセンターの3GeV陽子シンクロトロン施設で行い、試料には銅を用いた。実験で得られた断面積と一般的に弾き出し断面積の計算に使用されるNRTモデルの計算との比較の結果、NRTモデルの計算は実験を約3倍過大評価することが判明した。

論文

JAEA-ADSのLinac加速器における誤差解析

Yee-Rendon, B.; 田村 潤; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 小栗 英知

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.33 - 37, 2020/09

日本原子力研究開発機構で検討を進めている加速器駆動システム(ADS)は、運動エネルギー1.5GeVとなる連続的(CW)な陽子ビーム(電流20mA)を加速するLinacを用いる。このLinacでは、高い加速効率をもつ超伝導空洞によりビームが加速され、空洞は半波共振器(Half Wave resonator)、スポーク共振器(Spokes resonator)、および楕円形空洞(Elliptical cavity)などによる5つの群で構成される。30MWとなる大強度ビームを用いるADSでは、ビームロスが重大な機器の放射化を引き起こす可能性があるので、安定したビーム動作と高い信頼性を有する堅牢なビーム光学系が必要となる。ビーム損失率は、Linacの各構成要素における不整合や電磁場の誤差により生じる。このため、本研究では各構成要素の誤差に対するビームロスを検討した。本研究では、またビームロス低減のため、許容誤差を推定しその補正法に関し検討した。

論文

Measurement of displacement cross section of structural materials utilized in the proton accelerator facilities with the kinematic energy above 400 MeV

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.061004_1 - 061004_6, 2020/02

核変換システム等の陽子加速器施設では、標的や窓等の構造材に関する損傷の評価が重要となる。構造材の損傷評価には、原子あたりの弾き出し数(DPA)が広く用いられており、カスケードモデルに基づく計算で得られた弾き出し断面積に粒子束を乗ずることで得られる。DPAによる損傷評価は広く一般的に用いられているものの、20MeV以上のエネルギー範囲における陽子に対する弾き出し断面積の実験データは十分でなく、計算モデル間で約8倍異なることが報告されており構造材の弾き出し断面積の実験データ取得が重要となる。そこで、我々はJ-PARCセンターの3GeV陽子加速器施設を用い、400MeV以上のエネルギー範囲の陽子の弾き出し断面積の測定を開始した。弾き出し損傷断面積は、冷凍機で極低温(4K)に冷却された試料に陽子ビームを照射し、照射に伴う抵抗率の変化により得ることができる。実験で得られた断面積とPHITSコードに一般的に用いられるNRTモデルを用いて計算した結果、計算は実験を3倍程度過大評価を示した。一方、Nordlund等による最新モデルの結果は実験をよく再現し、これまでのNRTモデルに基づく標的等の弾き出し損傷は過大評価していることが明らかになった。

論文

Current Status of R&D and PIE Program for ADS Material Development in JAEA

斎藤 滋; 大久保 成彰; 大林 寛生; Wan, T.; 菅原 隆徳; 佐々 敏信; 前川 藤夫

JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.071003_1 - 071003_6, 2020/02

原子力機構は、加速器駆動システム(ADS: Accelerator-Driven Systems)の設計に必要な材料照射データベースを作成し、流動LBE中での照射効果について研究するため、J-PARCに陽子照射施設の建設を計画している。この照射施設では、鉛ビスマス共晶合金(LBE: Lead-Bismuth Eutectic)の核破砕ターゲットに250kWの陽子ビームを入射し、ADSの構造材候補材についてLBE流動下での照射試験を実施する。この照射施設を実現するために、様々な研究開発が行われている。LBEターゲットとターゲット台車の設計検討ついては概念設計を終えた。要素技術開発として大型のLBEループが製作され、本格運転へ向け準備中である。LBEループのための酸素濃度制御システムも開発された。遠隔操作によるターゲット交換試験も進捗している。照射試料の照射後試験フローは完成し、照射後試験技術について検討を進めている。その他、TEF-Tの実現に向けた現在の研究開発状況についても報告する。

論文

Beam optics design of the superconducting region of the JAEA ADS

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012120_1 - 012120_5, 2019/12

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an Accelerator Driver Subcritical System (ADS) for the transmutation of the nuclear waste. ADS will consist in a superconducting CW proton linear accelerator with a final energy of 1.5 GeV and beam current of 20 mA. The main part of the acceleration, from 2 MeV to 1.5 GeV, will take part in the superconducting region using five types of radio frequency cavities. The ADS operation demands a high intensity, and reliability of the beam therefore, the beam optics design plays a fundamental role to avoid the emittance growth and reduce the beam losses and halo.

論文

Electromagnetic design of the low beta cavities for the JAEA ADS

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012197_1 - 012197_7, 2019/12

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is designing a superconducting CW H$$^{-}$$ linear accelerator for the ADS project. The superconducting region will use five types of radio frequency cavities. In the region from 10 to 180 MeV the acceleration will be done using Half Wave Resonator (HWR) and Spokes cavities. HWR cavities will accelerate the beam from 2 to 10 MeV with a geometrical beta of 0.08 and the Spoke ones will do from 10 to 180 MeV using two cavity families with geometrical betas of 0.16 and 0.43. The results of electromagnetic model design are presented and the comparison with similar cavities from other projects are included.

論文

Design of the elliptical superconducting cavities for the JAEA ADS

Yee-Rendon, B.; 近藤 恭弘; 前川 藤夫; 明午 伸一郎; 田村 潤

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012198_1 - 012198_6, 2019/12

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) superconducting CW proton linear accelerator employs elliptical cavities for the final acceleration of 180 MeV to 1.5 GeV. Due to this energy region implies a changed of beta from 0.55 to 1, two cavity models were developed using the geometrical betas of 0.68 and 0.89 to improve the acceleration efficiency. The study of the electromagnetic design was simulated using SUPERFISH code plus a program of python to produce the scan, the results were benchmarked with CST Microwave Studio program.

論文

Electromagnetic design of the prototype spoke cavity for the JAEA-ADS linac

田村 潤; 近藤 恭弘; Yee-Rendon, B.; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 長谷川 和男; 加古 永治*; 梅森 健成*; 阪井 寛志*; 許斐 太郎*

Proceedings of 19th International Conference on RF Superconductivity (SRF 2019) (Internet), p.399 - 402, 2019/11

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is proposing an accelerator-driven subcritical system (ADS) as a future project to transmute long-lived nuclides to short-lived or stable ones. In the JAEA-ADS, a high-power proton beam of 30 MW with the beam energy of 1.5 GeV and with the beam current of 20 mA at an exit of the accelerator is required with sufficient reliability. Furthermore, the linac needs to be operated in a continuous wave (CW) mode in order to be compatible with the reactor operation. Since a normal conducting structure raises a difficulty in cavity cooling under the CW operation, a superconducting linac would be a suitable solution. As the first step toward the complete design of the JAEA-ADS linac, we are planning to demonstrate a high-field measurement by manufacturing a low-beta prototype spoke cavity. For the cavity development, we designed the prototype cavity. By the electromagnetic simulation, we obtained good cavity performance comparable with the modern spoke cavities.

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