Laser-driven neutron generation realizing single-shot resonance spectroscopy

余語 覚文*; Lan, Z.*; 有川 安信*; 安部 勇輝*; Mirfayzi, S. R.*; Wei, T.*; 森 隆人*; Golovin, D.*; 早川 岳人*; 岩田 夏弥*; et al.

Physical Review X, 13(1), p.011011_1 - 011011_12, 2023/01

AA2021-0388.pdf:2.42MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011011

Neutrons are powerful tools for investigating the structure and properties of materials used in science and technology. Recently, laser-driven neutron sources (LDNS) have attracted the attention of different communities, from science to industry, in a variety of applications, including radiography, spectroscopy, security, and medicine. However, the laser-driven ion acceleration mechanism for neutron generation and for establishing the scaling law on the neutron yield is essential to improve the feasibility of LDNS. In this paper, we report the mechanism that accelerates ions with spectra suitable for neutron generation. We show that the neutron yield increases with the fourth power of the laser intensity, resulting in the neutron generation of in at a maximum, with Wcm, 900 J, 1.5 ps lasers. By installing a "hand-size" moderator, which is specially designed for the LDNS, it is demonstrated that the efficient generation of epithermal (0.1-100 eV) neutrons enables the single-shot analysis of composite materials by neutron resonance transmission analysis (NRTA). We achieve the energy resolution of 2.3% for 5.19-eV neutrons 1.8 m downstream of the LDNS. This leads to the analysis of elements and isotopes within sub-s times and allows for high-speed nondestructive inspection.

Origin of magnetovolume effect in a cobaltite

Miao, P.*; Tan, Z.*; Lee, S. H.*; 石川 喜久*; 鳥居 周輝*; 米村 雅雄*; 幸田 章宏*; 小松 一生*; 町田 真一*; 佐野 亜沙美; et al.

Physical Review B, 103(9), p.094302_1 - 094302_18, 2021/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.094302

層状ペロブスカイトPrBaCoOは、熱膨張のない複合材料を作るために必要な負の熱膨張(NTE)を示す。NTEは、自発的な磁気秩序と密接に関連していることがわかっていた(磁気体積効果: MVE)。今回、われわれは、PrBaCoOの連続的な磁気体積効果が、本質的には不連続であり、大きな体積を持つ反強磁性絶縁体(AFILV)から、小さな体積をもつ強磁性卑絶縁体(FLISV)への磁気電気的相転移に起因することを明らかにした。また、磁気電気効果(ME)は、温度,キャリアドーピング,静水圧,磁場などの複数の外部刺激に対して高い感度を示した。これは、これまでよく知られている対称性の破れを伴う巨大磁気抵抗やマルチフェロイック効果などのMEとは対照的であり、輝コバルト鉱のMEは同一の結晶構造で起こる。われわれの発見は、MEとNTEを実現するための新しい方法を示しており、それは新しい技術に応用されるかもしれない。

原子力施設廃止措置費用簡易評価コード(DECOST)利用マニュアル

高橋 信雄; 末金 百合花; 阪場 亮祐*; 黒澤 卓也*; 佐藤 公一; 目黒 義弘

JAEA-Testing 2018-002, 45 Pages, 2018/07

JAEA-Testing-2018-002.pdf:4.44MB

日本原子力研究開発機構は、原子炉施設, 再処理施設, 核燃料施設, 研究施設等の原子力施設を有している。これら施設は施設の使用目的の終了や老朽化等により、いずれ廃止措置を行うことになるが、廃止措置に先立ち、廃止措置費用を評価する必要がある。これまでに、施設の特徴や類似性、解体工法等を基に廃止措置費用を短時間で効率的に計算できる評価手法(DECOST)を開発してきた。本報告書は、DECOSTの利便性向上を目的に、利用マニュアルとして作成した。DECOSTで用いる評価式を提示し、評価の対象となる原子力施設の種類ごとにその利用方法を具体的に解説した。加えて、評価の際に必要となる施設情報や解体廃棄物量等の設定方法も示した。

ITER準拠制御システムによるジャイロトロン制御システムの開発と運用

大島 克己; 小田 靖久; 高橋 幸司; 寺門 正之; 池田 亮介; 林 一生*; 森山 伸一; 梶原 健; 坂本 慶司

JAEA-Technology 2015-061, 65 Pages, 2016/03

JAEA-Technology-2015-061.pdf:24.28MB

原子力機構では、ITERのEC H&CDシステムの開発に向け、ITERのPlant Control Design Handbookに準拠したジャイロトロン運転システムローカル制御システムのプロトタイプ開発を行った。本システムは、ITER CODAC Core Systemを使用して開発し、ジャイロトロン運転システムの状態遷移管理と監視をはじめ、ジャイロトロンの発振のための電源システムのタイミング制御と運転波形収集の機能を実装した。本システムを用いて、ITERのジャイロトロン運転システムに準拠した電源構成にて、ITER用170 GHzジャイロトロンの大電力発振シーケンスをITER準拠機材で制御する実証試験に成功した。現在、本システムを運用してジャイロトロンの調達に伴う性能確認試験を進めている。本報告書は、ITER準拠制御システムによるジャイロトロン運転システムの概要、基本設計及び機能の詳細、及び最新の運用結果についてまとめたものである。

ITER ECRH upper launcher torus diamond window; Prototyping, testing and qualification

Schrech, S.*; Aiello, G.*; Meier, A.*; Strauss, D.*; 池田 亮介; 小田 靖久; 坂本 慶司; 高橋 幸司; Scherer, T.*

Fusion Engineering and Design, 96-97, p.593 - 596, 2015/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.02.002

The diamond window assembly is part of the ITER primary vacuum boundary and acts as the first tritium barrier and therefore it is classified as Safety/Protection Important Component. It consists of an ultra-low loss CVD diamond disk mounted in a system of metallic parts and has to fulfil adequate transmission capability for high power mm-waves. High power RF experiments with a 1st prototype had shown parasitic heating due to small gaps in the housing. 2nd prototype is equipped with inserted waveguide structures, which cover gaps in the metallic structure of the window housing. From high power RF-measurements with a 0.86 MW/100 s pulse a loss tangent of 7.110 could be estimated, corresponding to an increase of temperature of only 120 mK between inlet and outlet of the cooling system. A new prototype will be built, which is designed to fit to the single HELICOFLEX sealed waveguide structures of the ex-vessel mm-system of the EC Upper Launcher.

Gyrotron development for high-power, long-pulse electron cyclotron heating and current drive at two frequencies in JT-60SA and its extension toward operation at three frequencies

小林 貴之; 森山 伸一; 横倉 賢治; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 和田 健次; 佐藤 福克; 日向 淳; 星野 克道; et al.

Nuclear Fusion, 55(6), p.063008_1 - 063008_8, 2015/06

https://doi.org/10.1088/0029-5515/55/6/063008

JT-60SAにおける電子サイクロトロン加熱電流駆動(ECH/CD)のため、高出力、長パルス発振を110GHzと138GHzの両方で実現するジャイロトロンを開発した。2周波数で運転可能なジャイロトロンとして、世界で初めて、1MW、100秒間の発振を両周波数で実証した。三極型電子銃を用いてアノード電圧又は電子のピッチファクターの最適化することが、2周波数で高出力と高効率を得るために重要であった。また、本ジャイロトロン内部での損失は、今後の1.5MW以上での発振を想定した場合でも十分に小さいと予測される結果が得られた。さらに、上記2周波数はJT-60SAにおいては第二高調波として入射されるが、基本波として使用可能な82GHzでの発振についても、0.4MWで2秒まで実証した。これらのジャイロトロン開発の成果により、JT-60SAにおけるECH/CD装置の適用可能領域の大幅な拡張に寄与することが期待される。

Prototype development of the ITER EC system with 170 GHz gyrotron

小田 靖久; 梶原 健; 池田 亮介; 大島 克己; 林 一生*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; Purohit, D.*; Gandini, F.*; 大森 俊道*; et al.

no journal, , 

To study the operational performance of ITER EC heating and current drive system (H&CD), a mock-up of the ITER mm wave system has been assembled using the high power long gyrotron test stand in JAEA. The prototype system is composed of the primary parts of the EC H&CD system, including: 170 GHz gyrotron, power supply, transmission line (TL) and mock-up of equatorial launcher (EL) and control system. The JAEA test stand is a flexible system with its center piece a frequency-step-tunable gyrotron at 170 GHz/137 GHz/104 GHz. The output beam is radiated to the identical direction from the output window for each frequency, consequently the power was transmitted to the end of the TL at these three frequencies. The system has achieved CW 5 kHz power switching, which demonstrates the compatibility for MHD control of ITER plasma. The modulation was achieved using a novel configuration of the electron beam acceleration power supply. In the experiment, stable 5 kHz of power modulation was demonstrated with minimized spurious frequency excitation at the ramp-up phase of each pulse which satisfied the ITER criteria.

Development of 110GH/138GHz ECH system for JT-60SA

森山 伸一; 小林 貴之; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 和田 健次; 佐藤 福克; 日向 淳; 横倉 賢治; 星野 克道; et al.

no journal, , 

JT-60SAのECHシステムに使用する複数周波数ジャイロトロンの長パルス運転を開始した。1MW出力におけるパルス幅は両方の周波数において10秒に達し、調整及びエージングによって伸長を続けている。発振効率は十分高く30%であり、回折損失は1MWの長時間出力時に支障の無い量であることを熱的測定によって確認した。一方、導波管のスリットに挿入した窒化珪素ディスクを瞬時に引き抜いて、伝送ミリ波ビームのパワー密度の空間分布を測定する装置の高パワー試験に初めて成功した。

ITER電子サイクロトロン波加熱・電流駆動用170GHz/1MWジャイロトロン開発の進展

池田 亮介; 梶原 健; 小田 靖久; 高橋 幸司; 青木 貴志; 大島 克己; 坪田 直明; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司

no journal, , 

ITERに向けて170GHz/1MWジャイロトロンの開発を進めている。発振モードTEを用いたジャイロトロンでは、発振出力/発振時間/総合効率が1MW/800s/55%などITERの要求性能を実現してきたが、将来的に1MWを十分に超える性能を有するジャイロトロンを実現するには共振器における熱負荷の増大が懸念された。そのため、共振器径を広げて、より高次数の発振モードを用いた低熱負荷のジャイロトロン開発を進めている。開発中のジャイロトロンではTEを採用しており、利点として熱負荷低減だけでなく、共振器磁場強度を変えることでTEにて137GHz、TEにて104GHzの発振をほぼ同じ放射角度でダイヤモンド窓を無反射で抜けることができる多周波数ジャイロトロンの特性を有する。現在、170GHz発振を中心に動作試験を進めており、2秒発振試験ではビーム電圧80kV、ビーム電流56Aの条件にて発振出力/発振効率/総合効率1。2MW/27%/43%、長パルス試験では発振出力/発振時間/総合効率870kW/100s/41%を得ている。

ITER ECシステムに向けた長パルスジャイロトロンの開発

池田 亮介; 梶原 健; 小田 靖久; 高橋 幸司; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司

no journal, , 

原子力機構では、ITERにおける電子サイクロトロン波加熱・電流駆動装置の実現に向けて長パルスジャイロトロンの開発を進めている。開発中のジャイロトロンは、空胴共振器にて170GHzのTEモードを発振させ、内蔵モードコンバータを介してガウスビームとして出力する。2秒の発振試験において、1.2MWまで出力に成功しており、電力総合効率は43%が得られている。長パルス発振試験では、0.5MWにて1000秒の発振に成功した。本ジャイロトロンは、発振磁場を変えることで他の周波数の発振およびガウスビーム出力が可能な設計となっており、主磁場5.35T付近にてTEモード(137GHz)、4.05T付近にてTEモード(104GHz)が発振する。この2つの低周波数モードにおいても、21MW出力(2秒発振)を実証した。さらにこれら3つの周波数において40mの導波管伝送試験を行い、伝送効率として90.7%(170GHz), 89.6%(137GHz), 80.5%(104GHz)を得ることに成功した。