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論文

The Origin of beam non-uniformity in a large Cs-seeded negative ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之; 井上 多加志; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 谷口 正樹; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 46(6), p.S318 - S323, 2006/06

 被引用回数:28 パーセンタイル:69.15(Physics, Fluids & Plasmas)

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因について実験的に調べた。ビーム強度分布とプラズマ密度分布の相関を調べた結果、負イオン強度はプラズマが集中している領域において高かった。プラズマが集中している領域においては、負イオンの素となるプロトンばかりでなく、水素原子の密度も局所的に高かったと考えられる。さらに、フィラメントから放出する1次電子の軌道を計算した結果、プラズマの集中は、フィラメントから放出した1次電子が、フィラメント近傍の磁場によって、Bx$$nabla$$Bドリフトするためであることがわかった。ビーム非一様性の原因である高速1次電子のBx$$nabla$$Bドリフトを抑制するために、フィラメントの形状を変更した。その結果、ビーム強度の平均値からの偏差は、変更前の半分に減少しており、ビーム一様性を大幅に改善した。

論文

Improvement of beam uniformity by magnetic filter optimization in a Cs-seeded large negative-ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 戸張 博之; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A515_1 - 03A515_3, 2006/03

 被引用回数:24 パーセンタイル:73.01(Instruments & Instrumentation)

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因究明を行うために、フィルター磁場と負イオンビームの長手方向の強度分布との相関関係について実験的に調べた。実験では、3種類のフィルター強度(49, 370, 800Gauss$$cdot$$cm)について調べた。それぞれのフィルター強度に対して、イオン源に少量のセシウム(約0.3g)を添加して、負イオン電流値を添加前よりも3$$sim$$4倍に増加させた後、ビーム強度分布を測定した。いずれのフィルター強度に対しても、ビーム強度を長手方向に積分したビーム電流値はほぼ一定であった。しかしながら、ビーム強度分布の偏差は、フィルター強度が800Gauss$$cdot$$cmの時、平均値に対して30%であったが、フィルター強度を49Gauss$$cdot$$cmに下げることにより、17%まで低減した。この結果、フィルター強度を低減することによって、ビーム電流値を下げることなく、大幅にビーム強度分布を改善できることが明らかになった。また、プローブ測定の結果、フィルター強度を下げると、プラズマ電極近傍のプラズマ密度及び電子温度は一様になっていることがわかった。これらの結果から、ビーム強度分布の非一様性の原因は、フィルター磁場によってプラズマ電極近傍のプラズマが偏在するためであることが明らかとなった。

論文

Large-scale direct simulation of two-phase flow structure around a spacer in a tight-lattice nuclear fuel bundle

高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 秋本 肇

Computational Fluid Dynamics 2004, p.649 - 654, 2006/00

日本原子力研究開発機構が研究を進めている革新的水冷却炉は減速材の割合を減らして中性子の減速を抑制することで高い転換比が期待できる原子炉であり、炉心には直径13mm程の燃料棒が1mm程度の燃料棒間ギャップ幅で三角ピッチ状に稠密に配置される。このような狭隘流路内の二相流挙動を高温高圧の原子炉条件下で詳細に計測することは困難であることから、著者らは実験データを必要としないシミュレーションだけによる評価法の開発を行っている。本論文では、革新的水冷却炉の炉心燃料集合体1カラム内二相流を対象にして、超高性能計算機による大規模シミュレーションの結果を示す。本研究によって、燃料集合体内の狭隘流路に設置されるスペーサまわりの気相と液相の挙動や燃料棒外表面を薄膜状に流れる液膜挙動などが定量的に明らかになるとともに、シミュレーションを主体とした炉心熱設計手法の実現に対して高い見通しが得られた。

論文

Experimental study on spatial uniformity of H$$^{-}$$ ion beam in a large negative ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 森下 卓俊; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.311 - 317, 2005/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:46.25(Nuclear Science & Technology)

原研10A負イオン源を用いて、JT-60U負イオン源の問題点の1つである負イオン源内の負イオン密度の空間的不均一の原因について、実験的に調べた。測定の結果、ビームの空間分布はJT-60U負イオン源同様フィルター磁場に対して垂直な高さ方向(長手方向)に非対称であり、上半分領域の強度は下半分の約60%$$sim$$80%程度であった。また、この時のプラズマ電極近傍の電子温度は高さ方向に対して均一なフィルター磁場を形成しているにもかかわらず不均一であり、上半分領域では1$$sim$$3.5eVで、下半分領域ではほぼ1eV一定であった。高速電子の軌道を計算した結果、この高い電子温度の原因はカソードから放出した高速電子がイオン源の上部壁近傍に存在する10Gauss以下の領域を通って、フィルター磁場を飛び越えて、プラズマ電極に漏れ出すためであることが明らかになった。そこで、プラズマ電極への高速電子の漏れ出しを抑制するために、計算で予測された位置に、5cm$$times$$5cmの閉止板を取り付けた。その結果、イオン源上部の電子温度は1eV程度まで減少し、上半分領域における負イオンビームの一様性も大きく改善され、20%程度ビーム電流値が増加した。本研究により、負イオン密度の不均一性の原因の一つは高速電子のプラズマ電極への漏洩であることが明らかになった。

論文

R&D on a high energy accelerator and a large negative ion source for ITER

井上 多加志; 谷口 正樹; 森下 卓俊; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 関 孝義*; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 45(8), p.790 - 795, 2005/08

原研では、1MeV加速器と大型負イオン源の開発を推進してきた。本論文はITER NBシステムの実現に向けた1ステップである、以下の開発の進展を報告する。(1)加速器開発:耐電圧性能の向上により、H$$^{-}$$イオンの1MeV級エネルギー加速試験が進展している。1MeV, 100mA級H$$^{-}$$イオンビームを実用規模である100A/m$$^{2}$$程度の電流密度で発生しており、イオン源の調整により、電流密度のさらなる増大が見込まれる。(2)大型負イオン源開発:既存負イオンNBシステムにおいては、負イオンの空間一様生成がNB入射性能を左右する要因となっている。本研究では、磁気フィルターから局所的に洩れ出た高速電子が負イオン源引き出し領域に生成した負イオンを破壊していることを明らかにした。本論文では、幾つかの対応策とその試験結果についても報告する。

論文

R&D on a high energy accelerator and a large negative ion source for ITER

井上 多加志; 谷口 正樹; 森下 卓俊; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 関 孝義*; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 45(8), p.790 - 795, 2005/08

 被引用回数:22 パーセンタイル:59.75(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文では、ITER NBIシステムを実現するために原研が行ってきた、1MeV加速器と大型負イオン源の開発研究に関する以下の成果を報告する。(1)加速器開発:耐電圧性能の向上により、H$$^{-}$$イオンのMeV級加速試験が進展した。これまでに、1MeV, 100mA級H$$^{-}$$イオンビームを実用規模である100A/m$$^{2}$$程度の電流密度で発生しており、イオン源運転条件の調整により、さらなる電流密度の増大が見込まれる。(2)大型負イオン源開発:従来、大面積引き出し面上に生成する負イオンの一様性が問題となっていたが、本研究により、磁気フィルターから局所的に漏れ出た高速電子が負イオン引き出し部に生成した訃音を破壊していることが明らかになった。本論文では、高速電子漏洩の遮断による一様性改善の結果を報告する。

論文

Development of a high-performance microstrip gas chamber with a capability of track discrimination for neutron detection

中村 龍也; 山岸 秀志; 正岡 聖; 曽山 和彦; 相澤 一也

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 529(1-3), p.336 - 341, 2004/08

 被引用回数:6 パーセンタイル:42.01(Instruments & Instrumentation)

われわれは大強度パルス中性子源あるいは大強度フラックスである原子炉を使用した中性子散乱実験で必要不可欠な二次元中性子検出器として二次粒子弁別機能を有するマイクロストリップ型中性子ガス検出器(MSGC)の開発を行っている。本検出器では、数百チャンネルに及ぶマイクロストリップからの信号をそれぞれ独立に読み出すことで高計数率動作を可能とし、さらに、ヘリウム3と中性子の核反応の結果生じる二次粒子(プロトン,トリトン)をトラック長の違いにより識別することで高計数率特性を損なうことなく1mm以下の位置分解能を実現する。このトラック識別機能を持つMSGC検出器の試験機を製作し原理確認試験を行った結果、上記アイディアに基づくマイクロストリップ型中性子検出器が実現可能であることを確認した。

論文

Numerical analysis of plasma spatial uniformity in negative ion sources by a fluid model

水野 貴敏*; 北出 祐基*; 畑山 明聖*; 櫻林 徹*; 今井 尚樹*; 森下 卓俊; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 75(5), p.1760 - 1763, 2004/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:40.53(Instruments & Instrumentation)

核融合加熱に用いられる大面積負イオン源において、負イオンビームの空間的な非一様性が中性粒子入射加熱の高パワー化の大きな妨げとなっている。このビーム非一様性を改善するためにはイオン源内部のプラズマ分布の形成メカニズムを解明することが必要である。イオン源内のプラズマ分布に影響する要素として、負イオン生成を促進するための横磁場(磁気フィルター)によるローレンツ力が重要である。磁気フィルターの磁束密度はおよそ~100G程度であり、電子は磁化されているがイオンは磁化されていない。そこで、2次元流体モデル方程式を電子とイオンの2流体について連立し、イオン源引き出し領域におけるプラズマパラメータ分布を求めた。その結果、電子のExBドリフトよりも、正イオンに働くローレンツ力と慣性力の相乗作用による指向性運動がプラズマ分布の形成に大きく影響していることがわかった。この結果を定量的に実験結果と比較するため、フィルター磁場に沿った電子の損失を考慮した3次元モデルを現在構築中である

論文

Design of beam optics in the proton beam transport line from synchrotron to spallation neutron target

明午 伸一郎; 野田 文章*; 藤森 寛*; 池田 裕二郎

Proceedings of ICANS-XVI, Volume 3, p.967 - 976, 2003/07

J-PARCの核破砕中性子ターゲットには1MWの出力を持った3GeV陽子ビームが入射するが、この陽子ビーム輸送ライン(BT)において、ビーム損失はハンズオンメンテナンスを達成させるために1W/m以下にする必要がある。しかし、加速後のビームの位相空間分布が全く不明なために、シンクロトロン内に設置したコリメータのアパチャーで決定されるエミッタンス(324$$pi$$mrad)のビームを全て輸送可能なものとした。本研究では、加速器出射等によるビーム軌道の外乱を評価した。現状の設計に合うためには、電磁石磁場の均一性は偏向及び四極電磁石において、それぞれ5x10$$^{-4}$$及び2x10$$^{-3}$$よりも良くする必要があることがわかった。また、アライメントの誤差は1mm及び1mrad以下にする必要がわかった。

論文

Response analysis of radioactive gas monitors for short duration inflow of radioactive gas

大石 哲也; 吉田 真

Journal of Nuclear Science and Technology, 38(12), p.1115 - 1119, 2001/12

原子力施設から放出される放射性ガスの放射能を精度良く評価するためには、適切に校正されたガスモニタを使用しなければならない。ガスモニタの多くは、閉ループ校正法により校正されている。この校正法においては放射性ガスの定常放出が仮定されているが、実際の放出では非定常放出も生じる。非定常放出に対する従来の校正法の適用性を確認するため、放射性ガスの短時間における注入に対し、3種類の典型的なガスモニタの応答を解析した。レスポンス曲線の解析等の結果、注入されたガスの分布は瞬時に均一になることが判明した。また、閉ループ校正法により決定した校正定数は、放射性ガスの短時間注入に対して適用できることがわかった。これらの結果より、従来の校正法が非定常放出にも適用できることが実験により示された。

論文

表面汚染検査計の校正に使用する$$beta$$線面線源の均一性の評価

木内 伸幸; 大石 哲也; 吉田 真

Radioisotopes, 50(5), p.183 - 189, 2001/05

線源作製方法の異なる$$beta$$線面線源の均一性について検討した。面線源として、ポリマー線源、陽極酸化アルミニウム線源、滴下線源及びイオン交換線源の4種類を選択した。均一性の評価において、イメージングプレートと比例計数管を用い表面放出率の変動係数を測定した。その結果、ポリマー線源やイオン交換膜線源が均一性に優れていた。また、均一性を評価するために設定される評価対象領域(ROI)の面積や点数について考察した。

論文

Nonuniformity effect on reactivity of fuel in slurry

奥野 浩; 酒井 友宏*

Nuclear Technology, 122(3), p.265 - 275, 1998/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:15.43(Nuclear Science & Technology)

最大反応度が、燃料重要関数を一定にする燃料分布において実現されることは良く知られている。ラグランジの未定定数法を用いて平均ウラン濃度あるいは全ウラン質量が保存されるという制限を取込んだ。多群中性子輸送方程式を解くS$$_{N}$$法計算コードANISN-JRを含む計算プログラムOPT-SNを開発した。特に裸や部分的に反射された燃料体系で、従来より用いてきた拡散近似に基づく解法よりも信頼できる結果が得られた。OPT-SNを5wt%$$^{235}$$U濃縮の二酸化ウランと水の混合物(スラリー)が全方向水で覆われている場合、半方向だけ覆われている場合、まったく覆われていない場合の計算に適用した。全方向水反射体が付いた球形状、無限長円柱形状及び無限平板形状のUO$$_{2}$$-H$$_{2}$$Oスラリーについて計算を実施し、不均一効果の程度が平均ウラン濃度の増加に従い大きくなる傾向にあることを明らかにした。これらの体系では、不均一効果の程度は平均ウラン濃度4000gU/lで約6%$$Delta$$k/kに上がった。反射体が片側のみに付いた平板燃料体系では、700gU/lと低い燃料濃度でも不均一効果の程度は6%$$Delta$$k/k以上となる。

論文

Criticality safety studies related to advisory material for the IAEA regulations

奥野 浩; 酒井 友宏*

Proc. of PATRAM'98, 1, p.217 - 223, 1998/00

1996年版IAEA放射性物質安全輸送規則の助言文書に関する臨界安全研究を集約した。UO$$_{2}$$-H$$_{2}$$O及びPuO$$_{2}$$-H$$_{2}$$O燃料濃度についての小さな変動の有無に伴う臨界計算を摂動理論に基づき与えた。5%の燃料濃度の変化が、最大で0.4%$$Delta$$k/kの中性子増倍率の増大を与えうることを示した。燃料の非均質効果を低濃縮度UO$$_{2}$$燃料粒子の配列が水没している系で調べた。直径50$$mu$$mの燃料粒子の場合、中性子増倍率の相対的増加割合は0.1%$$Delta$$k/k未満であった。水の孤立化厚さを反射体因子を用いて論じた。反射体因子は、孤立材厚さが無限の場合に対する、有限厚さの孤立材付き燃料の中性子増倍率の相対的増加割合として定義された。30cmが、水の孤立化厚さについての実用値であると認識された。

論文

臨界安全ハンドブック第2版の作成について

奥野 浩; 野村 靖

日本原子力学会誌, 39(10), p.832 - 841, 1997/00

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

「臨界安全ハンドブック第2版」の作成も臨界安全性実験データ検討ワーキンググループにおいて最終の検討段階に入っている。第2版は、日本における最新の研究成果を取り入れた。本稿では、第1版(1988年に発刊)の継続課題として検討されたものの中から、(1)非均質な体系であっても均質と見なせる燃料粒径の大きさ、(2)均質燃料で燃料分布が不均一になったときの反応度効果、(3)水没を仮定しない臨界安全評価の方法、(4)燃料の燃焼を考慮したときの臨界データ、について内容を解説する。さらに、第1版ではもともと範囲外としていた化学プロセスの臨界に関する事項及び臨界事故関連事項について概要を紹介する。最後に、第3次版を目指した準備状況についても触れる。

論文

Non-uniformity effect on reactivity of fuel in slurry

奥野 浩; 酒井 友宏*

PHYSOR 96: Int. Conf. on the Physics of Reactors, 4, p.L74 - L82, 1996/00

燃料インポータンス分布平坦化の原理に基づき最大反応度を得るために、計算プログラムOPT-SNを開発した。このプログラムは、中性子輸送方程式を解くに当たってはANISNコードを含んでいる。水反射体が付いた場合及び付かない場合におけるウラン濃縮度5wt%のスラリーに対する臨界計算を実施した。反射体が付いた体系については、以下のことが明らかになった。(1)中性子増倍率の増加割合(不均一効果)は、平均ウラン濃度700から4000gU/lの範囲において最大約6%であった。(2)不均一効果は、燃料が平板形状の場合に円柱及び球形状よりも一般的に大きい。平板状燃料で反射体が片側にのみ付いている体系の最適燃料分布は燃料領域中に反射体領域を自ら形成する。この分布は、沈澱において現われるかもしれない。

論文

Liquid-metal heat transfer for the first wall and limiter/divertor plates of fusion reactors

M.Z.Hasan*; 功刀 資彰

Heat Transfer-Minneapolis,1991 (AIChE Symp. Ser. No. 283), p.67 - 73, 1991/00

核融合炉第1壁及びリミター/ダイバータ板内の冷却流路内の完全発達した層流液体金属流れの温度助走区間及び完全発達時の対流伝熱を3次元非定常熱流体コードCONDIFを用いて数値解析した。冷却材流路壁は絶縁としている。プラズマからの直接熱放射を受ける円形冷却材流路は表面で周方向に熱流束分布を有すると同時に、外部磁場の存在によって電気伝導性を有する冷却材流れはMHD効果を受けることになる。著者らはこれまでに印加熱流束(熱放射)の方向と磁力線の方向が平行の場合について研究してきたが、本報告では主として、熱流束の方向と磁力線の方向が異なる場合について取り扱っている。熱流束の周方向非一様性とMHD効果による熱伝達特性の変化は、両者が平行な場合最も強く現れ、直交する場合最も弱くなる。これらの影響を考慮した場合、如何なる設計検討の余地があるかを逆ピンチ炉(TITAN)を例に考察した。

論文

Measurements of the density profile in oxidized graphite by X-ray computed tomography

井岡 郁夫; 依田 真一

Journal of Nuclear Materials, 151, p.202 - 208, 1988/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:31.77(Materials Science, Multidisciplinary)

高温ガス試験炉に使用される黒鉛材料は、冷却材ヘリウム中に含まれる微量の不純物により酸化される。酸化により黒鉛材料の機械的性質が劣化することは、既に知られている。また、酸化モード(均一、不均一酸化)によっても、その劣化の程度は異なる。とくに、不均一酸化された黒鉛内の密度分布を非破壊的に把握することは、強度劣化を知るために重要である。そこで、最近開発されたX線CTスキャナを用いて酸化黒鉛内部の密度分布を調べた。また、同試片を外表面から切削して測定した密度分布と比較し、良い一致を得た。さらに、各種人工欠陥を導入した原子炉級黒鉛の欠陥検出も行った。

論文

Effects of internal and external magnetic fields on the characteristics of a magnetic multipole plasma source

田中 茂; 秋場 真人; 堀池 寛; 松岡 守; 小原 祥裕; 奥村 義和

Review of Scientific Instruments, 57(2), p.145 - 150, 1986/00

 被引用回数:17 パーセンタイル:85.52(Instruments & Instrumentation)

多極磁場型イオン源諸性能に与える軸方向外部磁場及びフィラメント電流が発生する磁場の影響を、高プロトンイオン源を用いて実験的に調べた。その結果、両磁場ともアーク放電特性、アーク効率、プラズマの一様性に重要な影響を与えることが明らかとなった。探針測定により、これら磁場を原因とするアーク効率の変化は、引出し電極面でのイオン飽和電流密度分布の変化と密接に関係していることが示された。この密度分布の変化は、フィラメントから放出される一次電子の軌道に与える磁場の効果で説明できる。実験結果より、イオン源内に残留する外部磁場の許容値は、$$pm$$5G以下であることがわかった。

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