核変換特性試験用の陽子ビーム制御の技術開発

武井 早憲

Isotope News, (779), p.11 - 15, 2022/02

J-PARCで整備を目指している核変換物理実験施設(TEF-P)では、リニアックからの大強度負水素イオンビーム(エネルギー400MeV,出力250kW)から小出力の陽子ビーム(最大出力10W)を安定に取り出す必要がある。原子力機構では、レーザーを用いた荷電変換によるビーム取り出し法を提案し、開発を行っている。今回、3MeVの負水素イオンが加速できるJ-PARCのRFQテストスタンドのリニアックにおいて高出力レーザーを用いた荷電変換に基づくビーム取出し試験を実施した。本論文は試験結果の概要をまとめたものである。

Long beam pulse extraction by the laser charge exchange method using the 3-MeV linac in J-PARC

武井 早憲; 平野 耕一郎; 明午 伸一郎; 堤 和昌*

Proceedings of 8th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2019) (Internet), p.595 - 599, 2020/06

https://doi.org/10.18429/JACoW-IBIC2019-WEPP031

J-PARCで整備を目指している核変換物理実験施設(TEF-P)では、リニアックからの大強度負水素イオンビーム(エネルギー400MeV、出力250kW)から小出力の陽子ビーム(最大出力10W)を安定に取り出す必要がある。原子力機構では、レーザーを用いた荷電変換によるビーム取り出し法を提案し、開発を行っている。今回、3MeVの負水素イオンが加速できるJ-PARCのRFQテストスタンドのリニアックにおいて連続波のレーザーを用いた荷電変換に基づくビーム取出し試験を実施したところ、TEF-Pにおいて0.70W相当となる出力の長パルスビームを取り出すことに成功した。

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。

Beam extraction by the laser charge exchange method using the 3-MeV linac in J-PARC

武井 早憲; 平野 耕一郎; 明午 伸一郎; 堤 和昌*

Proceedings of 6th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2017) (Internet), p.435 - 439, 2018/03

https://doi.org/10.18429/JACoW-IBIC2017-WEPCF08

J-PARCで整備を目指している核変換物理実験施設(TEF-P)では、リニアックからの大強度負水素イオンビーム(エネルギー400MeV、出力250kW)から小出力の陽子ビーム(最大出力10W)を安定に取り出す必要がある。原子力機構では、レーザーを用いた荷電変換によるビーム取り出し法を提案し、開発を行っている。今回、3MeVの負水素イオンが加速できるリニアックにおいてレーザー荷電変換試験を実施したところ、出力約8W相当のビームを約2%の出力安定性で取り出すことに成功した。

Present status of the laser charge exchange test using the 3-MeV linac in J-PARC

武井 早憲; 千代 悦司; 平野 耕一郎; 近藤 恭弘; 明午 伸一郎; 三浦 昭彦; 森下 卓俊; 小栗 英知; 堤 和昌

Proceedings of 5th International Beam Instrumentation Conference (IBIC 2016) (Internet), p.736 - 739, 2017/03

http://doi.org/10.18429/JACoW-IBIC2016-WEPG45

加速器駆動システム(ADS)は、原子炉で発生するマイナーアクチニド(MA)などの長寿命放射性核種を核変換する一つの候補である。このMAを効率良く核変換するためには、ADS炉心における中性子分布を精度よく予想することが必要不可欠である。ADS用の未臨界体系における中性子工学の特性評価のため、J-PARCでは核変換物理実験施設(TEF-P)の建設を計画している。TEF-Pは、安定な陽子ビーム(最大10W)を必要としており、大強度負水素イオン(H)ビーム(エネルギー400MeV、出力250kW)から微弱なビームを安定かつ精度よく取り出す方法が必要となる。この要求のため当セクションでは、レーザー荷電変換技術(LCE)を開発している。候補となるLCEでは、陽子ビーム輸送系の偏向電磁石中においてレーザー光によりHビームの電子を剥ぎ取り、中性陽子(H)ビームを分離する。候補となるLCEの性能評価のため、J-PARC LINACのテストスタンドにおけるRFQ加速器から出射される3MeVのHビームを用いてLCEによる取り出し実験を実施した。その結果、荷電変換した陽子ビームを14時間程度安定に取り出すことに成功した。また、TEF-Pに入射するビーム相当(400MeV)に換算し約5Wの荷電変換した陽子ビームが得られ、TEF-Pの要求出力を概ね満足した。

Current status and future plan of research and development on partitioning and transmutation based on double-strata concept in JAEA

辻本 和文; 佐々 敏信; 前川 藤夫; 松村 達郎; 林 博和; 倉田 正輝; 森田 泰治; 大井川 宏之

Proceedings of 21st International Conference & Exhibition; Nuclear Fuel Cycle for a Low-Carbon Future (GLOBAL 2015) (USB Flash Drive), p.657 - 663, 2015/09

原子力エネルギーを持続的に利用していくための最も重要な課題の一つは高レベル放射性廃棄物(HLW)の取扱である。分離変換技術は、HLWの潜在的有害度やHLWの地層処分に関する管理負担を低減有効であると考えられ、原子力機構ではHLW中の長寿命核種の核変換システムの一つとして加速器駆動核変換システム(ADS)を用いた階層型分離変換システムの各構成要素に対する研究開発を行ってきている。原子力機構が提案しているADSは、熱出力800MWの液体鉛ビスマス冷却システムであり、燃料にはマイナーアクチノイドを主成分とした窒化物燃料を想定している。ADS及び関連する燃料サイクル技術(MA分離、ADS用窒化物燃料の製造及び再処理)の実現には多くの解決すべき技術課題があり、これらの技術開発課題に関して、原子力機構では様々な研究開発を実施している。本発表では、原子力機構における研究開発の現状及び将来計画について報告する。

核変換実験施設の概念検討,2; ADSターゲット試験施設の概念検討

佐々 敏信; 梅野 誠*; 水林 博*; 森 恵次郎*; 二川 正敏; 斎藤 滋; 甲斐 哲也; 中井 公一*; 雑候 章*; 笠原 芳幸*; et al.

JAERI-Tech 2005-021, 114 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-021.pdf:9.66MB

日本原子力研究所では、加速器駆動核変換システム(ADS)にかかわる技術の研究開発を進めるため、大強度陽子加速器施設J-PARC計画の下で核変換実験施設の建設を検討している。核変換実験施設は、ADSの未臨界炉心に関する物理的特性の実験的研究を行う核変換物理実験施設と、ADSを設計するための材料データベース構築及び核破砕ターゲットの工学的特性の試験を行うADSターゲット試験施設から構成される。本報告は、ADSターゲット試験施設について、施設の目標,実用ADSと本実験施設との関連について述べ、台車搭載型核破砕ターゲットを採用した実験施設の検討結果についてまとめたものである。

Shielding design of the 200kW Pb-Bi spallation target for the transmutation experimental facility

佐々 敏信; 大井川 宏之; 田山 隆一*; 林 克己*

Journal of Nuclear Science and Technology, 41(Suppl.4), p.30 - 33, 2004/03

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00223131.2004.10875637

日本原子力研究所では、加速器駆動核変換システム(ADS)の概念検討を進めており、ADSの技術開発を進めるため、大強度陽子加速器施設J-PARC計画の下で核変換実験施設の建設を計画している。核変換実験施設のうち、ADSターゲット試験施設(TEF-T)では、出力200kWの液体鉛・ビスマスターゲットを設置するが、ターゲット外周部には被曝防止のための遮蔽体を設置する必要がある。このため、必要かつ合理的な遮蔽体構成をMCNPXコード及びATRASコードを用いて解析した。両者の結果はよく一致し、鉄及びコンクリートを組合せた約6mの遮蔽厚が必要であることがわかった。遮蔽体には、貫通孔が存在するため、これらの貫通孔からのストリーミング解析をMCNPX及びDUCT-IIIコードを用いて実施した。この結果、加速器ビームライン貫通孔には追加遮蔽が必要なこと、また、一次冷却系配管は直線部の長さと屈曲部を最適化することで、十分にストリーミング量を低減できることがわかった。

Study of lead-bismuth technology at JAERI

佐々 敏信; 斎藤 滋; 菊地 賢司; 倉田 有司; 二川 正敏

Transactions of the American Nuclear Society, 85, p.299 - 300, 2001/11

原研では、鉛・ビスマス利用技術の研究を行っている。原研は鉛・ビスマスを核破砕ターゲット及びマイナーアクチノイド燃料未臨界炉心の冷却材として使用する加速器駆動システム(ADS)を提案している。鉛・ビスマスを用いるADSは、硬い中性子スペクトルが得られること,液体核破砕ターゲットによる構造単純化に伴う中性子経済の向上,負のボイド反応度等の利点を有する。ADS開発のために原研では600MeV-200kWの鉛・ビスマス核破砕ターゲットと高速炉臨界実験装置を有する核変換実験施設を大強度陽子加速器計画の中で提案している。鉛・ビスマスの工学的利用は、核変換実験施設の建設前に実証することが重要である。この工学的課題を解決するため、材料腐食試験装置と材料試験ループを用いて実験的研究を進めている。

J-PARCにおける核変換実験施設計画

前川 藤夫

no journal, , 

原子力発電所の使用済核燃料には、半減期が長く人体に対する有害度や環境負荷が大きいマイナーアクチノイド(MA: Np, Am, Cm等)が含まれる。これらの物質を選択的に分離し、その物質の特性に応じて処理・処分できれば、使用済核燃料からの環境負荷を大きく低減することができる可能性があり、これを分離変換技術と呼ぶ。加速器駆動システム(ADS: Accelerator Driven System)は、MA等を核反応により短寿命あるいは安定な元素に変換する技術の1つであり、平成26年4月に閣議決定されたエネルギー基本計画において、その開発を推進することが示された。一方、大強度陽子加速器施設J-PARCでは、核変換実験施設(TEF: Transmutation Experimental Facility)の建設を計画している。TEFはADSターゲット試験施設(TEF-T)と核変換物理実験施設(TEF-P)の2つの施設で構成される。TEF-Tには400MeV・250kWの陽子ビームを照射する鉛ビスマス核破砕ターゲットが備えられ、この中でT91、F82H等の陽子ビーム窓候補材を照射し、照射後材料試験が行われる。TEF-PにはMAを装荷した臨界/未臨界集合体が備えられ、低出力(10W)陽子ビーム導入によりADS炉心の物理的・動的特性の研究が行われる。本講演では、J-PARCにおける核変換実験施設計画について紹介する。