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報告書

加速器駆動核変換システムのMA燃料組成およびその除熱に関する再検討

菅原 隆徳; 森口 大輔*; 伴 康俊; 津幡 靖宏; 高野 公秀; 西原 健司

JAEA-Research 2021-008, 63 Pages, 2021/10

JAEA-Research-2021-008.pdf:4.43MB

本研究では、従来の加速器駆動核変換システム(ADS)核設計では考慮されていなかったウラン(U)や希土類元素(RE)を考慮するため、日本原子力研究開発機構で開発されたSELECTプロセスに基づき、より現実的なMA燃料組成を検討し、ADS核設計を行った。その結果、Npあり/なしの2ケースについて、いずれも設定した制限値を満足することを示した。これらの概念は、これまで検討されてきた概念と異なり、UやREが含まれるものの、核変換性能は悪化せず、分離変換サイクルと整合の取れた成立性の見込まれるADS炉心概念である。さらに、検討したMA燃料組成をベースとして、燃料粉末貯蔵時および燃料集合体組立時の除熱に関する評価を行った。その結果、粉末貯蔵に関しては、長さ500[mm]、内径11-21[mm]の円柱管容器を、水中で保管する必要があることがわかった。燃料集合体組立時の除熱に関する評価は、CFD解析を実施し、空気流速が0.5[m/s]以上であれば、被覆管制限温度450[$$^{circ}$$C]以下を満足することがわかった。以上のように、分離変換サイクルと整合の取れたMA燃料組成を検討し、ADS炉心概念が成立することを示すとともに、最新の条件に基づいた除熱性能の検討を行った。この検討により、MA燃料の取扱い上、最も難しい点の一つである発熱に関して、新たに検討したMA燃料組成が、現実的に取り扱い可能であることを示した。

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

SiCワイヤにおける二次電子放出の大強度ビームに対する耐久性

明午 伸一郎; 中野 敬太; 大久保 成彰; 湯山 貴裕*; 石井 保行*

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.296 - 301, 2021/10

原子炉の廃棄物の有害度低減に用いる加速器駆動システム(ADS)や大強度核破砕中性子源の安定した運転のためには、ビームプロファイルモニタが重要となる。J-PARCの核破砕中性子源では、炭化珪素(SiC)の二次電子弾き出しによるマルチワイヤ-プロファイルモニタ(MWPM)用い測定を行っている。ADSのターゲット等の材料試験のためにJ-PARCで建設を計画している陽子照射施設でも、SiC製のMWPMを用いる予定としている。SiCのビーム耐久性が重要となるため、HeおよびArイオンビームを用いてSiCワイヤの劣化を測定した。本研究ではまた、2次元のビームプロファイル取得のため、蛍光型プロファイルモニタの開発を行った。アルミナを用いた蛍光体に対し、ArおよびXeイオンビームを入射し、蛍光スペクトルの測定を行った。

論文

Effect of irradiation on corrosion behavior of 316L steel in lead-bismuth eutectic with different oxygen concentrations

大久保 成彰; 藤村 由希; 友部 政勝*

Quantum Beam Science (Internet), 5(3), p.27_1 - 27_9, 2021/09

加速器駆動システム(ADS)において、核破砕ターゲットの隔壁であるビーム窓の材料は、過酷な条件下で重照射に晒される。ビーム窓材では、鉛ビスマス流れ環境下で高エネルギー中性子、あるいは陽子線照射により、弾き出し損傷と腐食とが同時に起こる。ADSで用いられる材料には、液体鉛ビスマス合金(LBE)内での液体金属脆化(LME)や液体金属腐食(LMC)に耐えるための共存性が必要である。本研究では、自己イオン照射した316Lに対して、照射後LBE中腐食試験によりLMC挙動を調べた。316L試料に対して、10.5MeVまで加速した鉄イオンを、450$$^{circ}$$Cにて最大50dpaまで照射を行った。低酸素濃度のLBE中、450$$^{circ}$$Cで腐食試験を行った結果、未照射部では、酸化皮膜は観察されずに局所腐食が見られた一方で、照射部は鉄/クロム系の酸化皮膜で覆われていた。また、高い酸素濃度のLBEの場合、未照射部は、鉄/クロム系酸化物の1層であった一方で、照射部は鉄酸化物と鉄/クロム系酸化物の2層酸化皮膜で覆われていた。316Lにおいて、自己イオン照射による残存空孔等の照射損傷が試料表面での鉄と酸素の拡散が促進されたことにより、酸化層の形成が促進したと考えられる。

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

加速器施設の安全性向上の研究; 金属構造材の放射線損傷を高精度で評価

明午 伸一郎; 岩元 洋介; 松田 洋樹

Isotope News, (774), p.27 - 31, 2021/04

加速器駆動核変換システム(ADS)等の大強度陽子加速器施設では、ビーム窓や標的に用いられる材料の損傷評価が重要となる。放射線に起因する材料の弾き出し損傷は、弾き出し断面積と粒子束との積による原子あたりの弾き出し数(dpa)により評価される。弾き出し断面積の計算モデル評価には実験データが必要だが、20MeV以上のエネルギー領域に実験データはほとんど無かったため、本グループではJ-PARC 3GeVシンクロトロン加速器施設において、3GeVまでの陽子エネルギーにおける弾き出し断面積を測定し、計算モデルの精度評価を行った。

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

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

Status of LBE study and experimental plan at JAEA

斎藤 滋; Wan, T.*; 大久保 成彰; 大林 寛生; 渡辺 奈央; 大平 直也*; 木下 秀孝; 八巻 賢一*; 北 智士*; 吉元 秀光*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011041_1 - 011041_6, 2021/03

原子力機構(JAEA)では、鉛ビスマス共晶合金(LBE)を核破砕中性子発生のターゲット並びに炉心冷却材として使用する、核変換用の加速器駆動システム(ADS)の研究をしている。中性子は、1.5GeVの陽子ビーム入射による核破砕反応によって生成される。ADS開発に重要な材料照射データを取得するため、J-PARCにLBE中性子生成ターゲットを備えた照射施設の建設を提案している。LBEターゲット実用化のためには多くの技術的な課題があり、JAEAでは様々な研究開発を行っている。腐食研究に関しては、OLLOCHIの調整運転と機能試験が開始された。LBE使用する上で重要な技術である酸素濃度制御技術の開発も行っている。大型LBEループ実験では、IMMORTALを使用して、定常および過渡状態の試験を行った。機器の分野では、LBEループシステムの重要な技術として、超音波流量計とフリーズシールバルブの開発を進めている。照射施設の設計に重要なLBE中の不純物挙動の研究も開始した。本論文では、JAEAにおけるLBE関連研究の現状と研究計画について報告する。

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。

報告書

鉛ビスマス冷却型加速器駆動核変換システムにおける酸素消費量の評価

菅原 隆徳; 小松 篤史

JAEA-Research 2020-016, 44 Pages, 2021/01

JAEA-Research-2020-016.pdf:2.94MB

液体鉛ビスマス共晶合金(LBE)を用いた原子炉システムでは、酸素濃度を制御することにより、LBEによる鋼材腐食を防ぐ必要がある。本研究では、LBE冷却型加速器駆動核変換システム(ADS)について、そのプラントで用いられる酸素消費量の評価を行った。評価は、実験に基づく酸化被膜厚さの評価式を用い、その厚さから酸素消費量を評価した。その結果、燃料集合体の発熱部については、2サイクルの炉内滞在で、最大で約35[$$mu$$m]の酸化被膜が作られ、ビーム窓については、1サイクルの運転で約20[$$mu$$m]の酸化被膜が作られることがわかった。これらの結果から求めたサイクルあたりの酸素消費量は、燃料集合体全体とビーム窓それぞれで、25[kg]と0.3[kg]となり、プラント全体としては約30[kg]となった。最終的な結果として、JAEA-ADSでは、定格運転時3-4[g/h]、ピーク時約150[g/h]の酸素を供給でき、1サイクル(=1年間)約30[kg]、40年間で約1200[kg]を供給できる酸素供給装置が必要となる。

論文

Neutronics design for molten salt accelerator-driven system as TRU burner

菅原 隆徳

Annals of Nuclear Energy, 149, p.107818_1 - 107818_7, 2020/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Nuclear Science & Technology)

余剰プルトニウムの扱いは、日本における原子力利用の最重要課題の一つである。本研究では、この課題に取り組むため、超ウラン元素(TRU)核種の核変換をするための溶融塩加速器駆動システム(ADS)の検討を行った。MARDS(Molten salt Accelerator Driven System)と名付けられたこの概念は、硬いスペクトルを実現するため、鉛塩化物とTRU塩化物の混合物を燃料塩として用いる。この燃料塩は核破砕ターゲットとして用いられ、専用のターゲットを必要としない。さらに、ビーム窓が燃料塩と接しない設計にすることで、ADS検討で最も困難なビーム窓設計の設計条件を大きく緩和する。本研究では、この概念について核設計を行い、400MW熱出力、800MeV-7mA陽子ビームを用いることで、約4400kg/40年のプルトニウムを核変換できることを示した。この概念では、加速器としてLINACに代わり円形加速器を用いることができ、従来のJAEA-ADSに比べてより柔軟な設計が可能となる。

論文

Corrosion behaviour of Al-added high Mn austenitic steels in molten lead bismuth eutectic with saturated and low oxygen concentrations at 450$$^{circ}$$C

Wang, H.*; Yu, H.*; 近藤 創介*; 大久保 成彰; 笠田 竜太*

Corrosion Science, 175, p.108864_1 - 108864_12, 2020/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:69.06(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合先進ブランケット材として新たに開発を進めているAl含有高Mnオーステナイト鋼について、ADS炉内機器への新たな適用性評価のために、450$$^{circ}$$Cにおける飽和及び低酸素濃度の鉛ビスマス共晶金属(LBE)中での腐食挙動を調べた。その結果、Alの添加により、腐食環境の厳しい条件である低酸素濃度のLBE中においても、Alを含む耐酸化性の皮膜が形成した。一方、飽和酸素濃度では酸化皮膜形成量が多く、Al添加の効果は見られなかった。

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

Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet

明午 伸一郎; 大井 元貴; 藤森 寛*

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 23(6), p.062802_1 - 062802_24, 2020/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Physics, Nuclear)

加速器駆動の核変換システム(ADS)や核破砕中性子源に用いられる陽子加速器のビーム出力増強につれ、ビーム窓や標的の損傷は深刻な問題となり、損傷緩和のためにビーム電流密度の均一化が重要となる。密度均一化のため比較的よく用いられるラスター磁石には、故障時のビーム集束の重大な問題がある。一方、非線形光学を用いたビーム平坦化にははビーム拡大の問題があることが指摘され、これまで非線形効果導入の八極磁石におけるビームの角度の広がりを無視したフィラメント近似模型による検討が行われた。フィラメント近似模型では、非線形収斂作用を適切に評価できないため、本研究では一般化した非線形モデルの適用により非線形ビーム光学における収斂および発散作用を詳細に検討した。正規化した八極強度$$ K^{*}_8 $$と位相進行$$phi$$における$$cotphi$$の2つのパラメータ導入により、非線形効果を特定な条件によらず一般化できることを明確にした。ビームのピーク密度低減と損失最小化という拮抗する問題の解決には、$$K^{*}_8 sim $$ 1および$$ cotphisim$$ 3とすることにより解決できることが判明した。J-PARCの陽子ビーム輸送系(3NBT)に本検討結果を適用し、核破砕中性子源の水銀標的入口のビーム形状の比較検討した結果、モデル計算によるビーム分布は実験データとよい一致を示し、線形光学においてピーク電流密度を約50%にできることを示した。

論文

Direct quantitation of $$^{135}$$Cs in spent Cs adsorbent used for the decontamination of radiocesium-containing water by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry

浅井 志保*; 大畑 昌輝*; 半澤 有希子; 堀田 拓摩; 蓬田 匠; 北辻 章浩

Analytical Chemistry, 92(4), p.3276 - 3284, 2020/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:41.67(Chemistry, Analytical)

福島第一原子力発電所の汚染水処理に使用されたCs吸着材を安全に処分するために、長寿命核種である$$^{135}$$Csの放射能を把握する必要がある。$$^{135}$$Csは、誘導結合プラズマ質量分析計(ICP-MS)で測定するが、通常、液体試料のみに対応しているため、廃Cs吸着材の場合、Csの溶離操作が不可欠となる。しかし、$$^{137}$$Csから放出される強い放射線が取り扱いを困難にする。そこで本研究では、固体試料の直接測定が可能なレーザーアブレーションICP-MSを用いて$$^{135}$$Cs/$$^{137}$$Csを測定し、$$^{137}$$Csの$$gamma$$線測定結果と合わせて、Cs吸着材中の$$^{135}$$Csを簡便かつ精確に定量する方法を開発した。方法の妥当性を確認するため、放射性セシウムを含む汚染水に市販のCs吸着材を浸漬させて模擬試料を調製し測定したところ、水試料の分析値と一致した。

論文

Characterization of mechanical strain induced by lead-bismuth eutectic (LBE) freezing in stainless steel cup

大平 直也*; 斎藤 滋

Heliyon (Internet), 6(2), p.e03429_1 - e03429_8, 2020/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:57.94(Multidisciplinary Sciences)

鉛ビスマス共晶合金(LBE)は高速炉や加速器駆動炉(ADS)の冷却材の候補である。フリーズシールバルブはこれらのシステムに受動的安全性を付加する機器と考えられている。一方、LBEは固化後に膨張する材料として知られており、LBE膨張により配管内に生じる応力を定量的に評価することが必要である。多くの研究者がこの膨張に関するデータを報告しているが、LBE膨張による歪みの評価はほとんど無い。そこでステンレス容器を用いたひずみ測定と応力評価、並びに光学顕微鏡による組織観察を行った。その結果、室温以上の温度で保持することが配管の歪みを大きく低減する有効な方法であることが示された。

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.

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