安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020
論 文

超伝導トカマク装置建屋における貫通孔部の合理的な中性子遮蔽設計
田中聖一朗 *1・奥野功一 *1・助川篤彦 *2
日欧協力で実施している超伝導トカマク装置の組立に伴う既存建屋の新規貫通孔部における最適遮蔽構造の設計を行うために，3次元放射線輸送計算コードPHITSを用いた線量分布評価手法の検討が進められている。3次元計算を行う利点は，建屋貫通孔部を含めた建屋内の詳細な線量分布の評価が可能となり，建屋遮蔽設計の最適化を図れることである。簡易計算法により事前に検討した新規貫通孔部にける追加遮蔽体の概念設計案について，PHITSによる放射線ストリーミング評価を実施し，簡易計算法との比較を行うとともに，遮蔽体構造の合理化を試みた。結果として，追加遮蔽体の一部（厚さ：0.85m，概念設計案の約30％）を削減できることがわかった。
キーワード： 放射線ストリーミング，超伝導トカマク装置，PHITS，モンテカルロ法，Simon-Clifford式

１．はじめに放射線施設には小さな密封線源を使用する小規模施設
から，大規模な原子力発電所まで大小様々あるが，遮蔽日本人の最大死亡原因である癌の治療法として，近年，設計の基本は共通である。本稿では，粒子線医療施設へ「切らずに短期間で治す」粒子線治療が普及しつつある。の適用を念頭に放射線施設の一つである核融合施設を対加速器を用いる粒子線治療は，治療に伴う身体への負担

象に，簡易計算法により事前に検討した遮蔽体の概念設が少ないことから，生存率の向上だけでなく，生命・生計案について，3 次元モンテカルロ計算による建屋貫通活の質（Quality of Life：QOL）を重視した治療法とし孔部の放射線ストリーミング評価を行い，簡易計算法とて注目されている。このような粒子線医療施設におけるの比較を実施するとともに，貫通孔部遮蔽体構造の合理

放射線遮蔽では，遮蔽壁に設けられた空調や設備機器等化検討した結果を報告する。のための貫通孔からの漏洩線量（放射線ストリーミング）

２．核融合施設の概要を適切に評価し，設計を行う必要がある。
貫通孔部における放射線ストリーミング量の計算方法には，近似法や実験に基づく簡易計算法と厳密解法に基核融合反応をエネルギー生産に利用する核融合発電づく輸送計算法（離散座標法やモンテカルロ法）があ

は，ウランの核分裂反応を利用する原子力発電より安全

1)

る 。簡易計算法は，放射線ストリーミング線量を簡単性が高く，燃料が豊富で効率が良いとされている。高温に求められることから概念設計の段階で用いられる場合高圧のプラズマ状態を閉じ込めて長時間保持する方法にが多い。しかし，簡易計算法は線量を過小評価しないよは，強磁場による閉じ込め方式とレーザーによる慣性閉うに安全裕度を考慮するのが一般的であり，場合によっじ込め方式があり，それぞれ技術的実現性の実証に向けては過度に保守的な遮蔽設計となってしまう可能性があて研究が進められている。量子科学技術研究開発機構

る。また，簡易計算法は比較的単純な体系を対象として（QST）の那珂核融合研究所（以下，那珂研）では，磁場いることや，計算精度が設計者の経験で左右される場合閉じ込め方式の一つであるトカマク型の大型実験装置をが多く，貫通孔部の合理的な遮蔽構造を検討するうえで，使用して，1991 年から重水素実験を実施してきた。現

その適用性に課題があった。一方で，近年，加速器施設

在は，日欧協力により後継機である超伝導トカマク装置

ではモンテカルロ法に基づく 3 次元放射線輸送計算コーの組立が完了し，今後は国際熱核融合実験炉（ITER）計ド（MCNP2）や PHITS3)等）を用いて，放射線ストリーミ

画の技術目標達成のための支援・補完研究や原型炉開発に向けた貢献が期待される 4)。

ングやスカイシャイン（施設の天井を透過した放射線が那珂研の超伝導トカマク装置は，ドーナツ形状の炉心大気中で散乱され，再び地上に到達する現象）も含めたプラズマを取り囲む形で真空容器や超伝導コイル，ダイ詳細かつ合理的な建屋遮蔽設計が行われている。
*1 建築研究部*2 国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構

1

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

バータ等多くの機器類で構成されている（図 -１）。真３．中性子ストリーミングの評価

空容器は，二重構造でその間に中性子遮蔽用水が充填さ核融合反応が起こり，主に 2.45 MeV の中性子が発生す

３．
１ 建 屋貫通孔出口における中性子線量減衰率の目標値（設計値）る。中性子が超伝導トカマク装置の外に逃げないように，超伝導トカマク装置が格納される既存建屋はコンク炉心プラズマを真空容器や放射線遮蔽体等により完全にリート構造で，壁厚は 2m である。建屋壁のバルク遮蔽れている。真空容器内では，重水素（D）同士による DDによる実効線量透過率を離散座標法の ANISN コード 6) に覆うことが望ましいが，実際にはプラズマ計測やプラズより，図 -３の 1 次元平板モデルを用いて評価した 7)。

マ加熱，真空排気等のための配管が超伝導トカマク装

ANISN は，遮蔽計算を目的として開発された多群 1 次元置外部まで設けられており，放射線ストリーミングが発輸送計算コードで，平板，円柱，または球形状の１次元生する。さらに，装置を格納する建屋（本体室：幅 40m体系の放射線束分布を計算できる。図 -４より，厚さ 2m× 40m，高さ 40m）には，超伝導コイル用の冷却系や電のコンクリート壁中の実効線量率はバルク遮蔽により約力供給用フィーダ等の各種配管（図 -２）のための貫通7 桁減衰することがわかる。ここで，赤線は中性子，緑孔部が多数設けられている。貫通孔は，放射線ストリー線はガンマ線，青線は合計の実効線量透過率である。線ミング防止のために迷路状に複数回屈曲させる場合が多量換算係数は ICRP748) で提供されているものを使用してい。このような複雑な形状をした貫通孔からの放射線スいる。この結果から，超伝導トカマク装置の想定する最トリーミング量を適切に評価し，設計を行うことは，放大性能を考慮した建屋貫通孔出口における線量透過率の射線安全の観点から非常に重要である。

目標値は，過度に保守的な遮蔽を避け，かつ管理区域境界における法令基準を満足するために入口部の約 6 桁の減衰となるように設定した。

Reflective(Boundary Condition)

Plasma16.3 mVacuum(Boundary Condition)

Plasma13.4 m0Concrete100 120320

Distance from the Center of Plasma(cm)

図 -３
図 -１

超伝導トカマク装置

ANISN の１次元平板モデル5)

実効線量透過率

1.E+1
1.E+0

Total (ICRP74)

1.E-1

Neutron (ICRP74)

1.E-2

Gamma (ICRP74)

1.E-3
1.E-4
1.E-5

1.E-6

φ1m

バルク遮蔽（約7 桁減衰）

1.E-7
1.E-8

050

100150Concrete遮蔽体の厚さ (cm)図 -２超伝導コイル用ヘリウム冷媒配管

図 -４

2

コンクリートの実効線量透過率200安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

３．
２ 簡易計算法
中性子のストリーミング評価の簡易計算式として，入口

設備室(1)

Simon-Clifford の式（1）9) を用いた。

追加遮蔽体

(1)

貫通口設備室(2)こ こ で，Hn は 貫 通 孔 出 口 の 漏 洩 中 性 子 実 効 線 量（mSv），H0 は貫通孔入口の中性子実効線量（mSv），di（＝出口本体室＝ 113）は貫通孔入口の等価直径 (cm)，li は脚長 (cm)，θi は屈曲角度（＝ 90°）である。屈曲部にお図 -６

けるアルベド α（反射比）は，遮蔽壁がコンクリートの場合は 0.7 であり，安全係数 C は 4 を採用している 10)。

1.E+2ai，bi は貫通孔の断面寸法（＝ 100cm × 100cm）である。

1脚目

1.E+1

Effective Dose (Arbit. Unit)

適用性の観点から，貫通孔の各脚長は貫通孔直径の 2 倍を超えることが望ましいとされている。図 -５に 2 回屈曲した貫通孔の断面図を示す。屈曲形状の貫通孔は，脚部と屈曲部から構成されており，Simon-Clifford の式は，脚部については距離の逆二乗則で減衰するとし，脚部の直接成分に対する式を屈曲部における中性子束の空建屋貫通孔部の追加遮蔽体断面図

2脚目

3脚目

Simon-Clifford 簡易式(概念設計)
安全係数：４1.E+0
1.E-1
1.E-2
1.E-3
1.E-4
1.E-5
1.E-6

間変化を表す 1/sin θ 法則で結合した式である。ここで，

1.E-7

屈曲部での反射線の角度分布は等方と仮定しており，ま0200

400

600

800

1000

1200

1400

Distance along Duct Axis (cm)図 -７た，屈曲部以外の部分での散乱は考慮していない。この貫通孔内における中性子線量の減衰傾向（Simon-Clifford 式）

Simon-Clifford 式により減衰率の設計値である約 6 桁減衰を満足する遮蔽体構造を検討した。図 -６に検討した概念設計案を示す。脚長は，1 脚目が l1 ＝ 3.35m，2 脚３．
３ 3 次元モンテカルロ計算目が l2 ＝ 7.38m，3 脚目が l3 ＝ 1.80m である。また，図 -PHITS 3) は，任意形状の 3 次元体系内における放射線７に貫通孔内中心軸上における中性子線量の減衰傾向を挙動を核反応モデルや核データ等を用いることにより模示す。屈曲部における盛り上がりは，屈曲部において次擬することが可能な汎用モンテカルロ計算コードである。

脚の線源を定義しなおしていることによるものである。

Simon-Clifford の式により検討した建屋貫通孔部の減衰率（貫通孔出口／入口）は Hn ／ H0：4.03 × 10-6 と追加遮蔽体構造に対して，PHITS により中性子のストなり，設計値を満足する。

リーミング評価を行った。既報 11) にて，建屋貫通孔出口の正確な線量評価を 1 回の 3 次元モンテカルロ計算で行うのは多くの計算時間を必要とするため難しいことか

遮蔽壁

ら，計算効率を改善するための手法として，PHITS のダンプ機能を用いた接続計算方法による試解析結果についl1H0て報告した。しかし，接続計算法による貫通孔入口部にダンプ線源を設定した場合でも，2 回屈曲した貫通孔のl2入口

中性子ストリーミング評価には多くの計算時間を必要とl3する。また，建屋壁から浸透して貫通孔の途中に進入すHる中性子の影響により計算効率を改善することが難しいことが判明し，新たな工夫が必要であるという課題が抽出口
図 -５出された。そこで，本稿ではトカマク装置から発生し，2 回屈曲した貫通孔の断面図

建屋壁貫通孔入口部に到達した中性子スペクトルを評価し，得られたスペクトルを貫通孔入口に面線源かつ等方3安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020分布として設定した。これにより，トカマク装置から建図 -10 に，Simon-Clifford 式により検討した追加遮蔽屋貫通孔までの輸送計算を省略することができ，計算時体の概念設計案に対し，PHITS コードにより計算した貫間の大幅な短縮と分散低減が図れる。図 -８に超伝導ト通孔内中心軸上における中性子線量の減衰率を比較した

カマク装置と建屋貫通部との位置関係を示す。建屋貫通結果を示す。貫通孔内における線量の減衰は，全体的にPHITS コードによる計算結果が大きくなり（ストリーミ

孔は装置から 20m 程度離れた位置にある。計算コードにングが小さい），貫通孔出口部における中性子線量率は入は PHITS (Ver. 3.13)，核データには JENDL-4.012) を使口部の約 6 桁の減衰となった（Hn ／ H0：2.48 × 10-6 で，用し，ヒストリー数は 10 億とした。

Simon-Clifford 式の結果の約 62％）。

図 -９に貫通孔入口部における中性子のエネルギースペクトルを示す。炉心プラズマにおける DD 反応によっ1.E+2て生成した 2.45 MeV 中性子は，真空容器や超伝導コイ1脚目

Effective Dose (Arbit. Unit)

1.E+1

ル等の機器類あるいは建屋壁等の障害物と散乱を繰返すことで減速し，なだらかな連続スペクトルとなる。特に，建屋貫通部は線源から遠く離れた下流の位置にあるため，散乱される回数が増えてエネルギーの低い熱中性子成分（0.5 eV 以下）が多くなっている。

2脚目

3脚目

1.E+0

Simon-Clifford式（安全係数：4 ）

1.E-1

PHITS

1.E-2
1.E-3
1.E-4
1.E-5
1.E-6

1.E-7

中性子遮蔽壁

0200

400600800

100012001400

Distance along Duct Axis (cm)図 -10

貫通孔内における中性子線量の減衰傾向（Simon-Clifford 式及び PHITS）

４．遮蔽体構造の合理化検討
放射線ストリーミングの問題は，貫通孔の形状や線源との位置関係等が施設により様々であるため系統的に扱いにくい面がある。そのため，比較的単純な体系を対象としている簡易式による計算方法は，計算精度が設計者の経験で左右される場合が多く，貫通孔部の合理的な遮蔽構

超伝導トカマク装置

造を検討するうえで，その適用性に課題があった。そこで，
図 -８

3 次元モンテカルロ計算により設計値を満足しながら，遮超伝導トカマク装置及び装置建屋

ストリーミング評価経路

中性子面線源φ 1m等方分布
コンクリートから空気に変更

建屋側遮蔽体
合理化検討箇所2m
開口幅：1m×1m

図 -９

建屋貫通孔入口部における中性子スペクトル

図 -11

4

追加遮蔽体の合理化検討箇所

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

1.E+2

具体的には，放射線ストリーミングは屈曲部の材質とその1.E+1Effective Dose (Arbit. Unit)

蔽体構造の工夫を行うことにより，最適化検討を試みた。

アルベド成分で決まることに着目し，2 脚目の建屋側の遮蔽体の一部を削減した遮蔽構造を考案した（図 -11）。
この遮蔽設計において，PHITS を用いて貫通孔部周辺における中性子線量の評価を実施した。図 -12 に貫通孔部周辺における中性子線量率分布を，図 -13 に相対誤差分

1脚目

2脚目

3脚目

Simon-Clifford 式（安全係数：4 ）1.E+0

PHITSPHITS（合理化前）

1.E-1

PHITS
( 合理化後)PHITS（合理化後）

1.E-2
1.E-3
1.E-4
1.E-5布を示す。計算結果は，１秒あたりに DD 核融合反応で発1.E-6生する中性子数で規格化している。この結果から，建屋

1.E-7

0200400600800100012001400

Distance along Duct Axis (cm)

側遮蔽体を削減しても，貫通孔出口部の中性子線量率分
図 -14布の変化はほとんどないことがわかる。出口部における相貫通孔内における中性子線量の減衰傾向（Simon-Clifford 式及び PHITS（合理化前後））

対誤差は 10% 以下である。また，図 -14 に合理化前後の貫通孔内同一経路における中性子線量率の減衰率を示す。

合理化により当該遮蔽体（遮蔽体の厚さ：0.85m）を削減

貫通孔内の線量率の減衰傾向は，合理化により 2 脚目にH0：4.76 × 10-6 となり，合理化前の PHITS の計算結果と射線ストリーミング評価は，計算時間短縮のための種々の比較しておよそ 2 倍以内となり，Simon-Clifford 式の結工夫が必要となるものの，遮蔽体構造の合理化を検討す果と同程度に抑えられ，設計値を満足する。したがって，るうえで非常に有効であることが確認された。
1055Dose [μSv /h]

建屋断面高さ(m)100Dose [μSv /h]できることがわかった。3 次元モンテカルロ計算による放建屋断面高さ(m)

おいてやや小さくなるが，出口部における減衰率は Hn ／0

合理化箇所

10 -15-5152025

10 -15-53015

超伝導トカマク装置からの距離 (m)図 -123001520250-530

超伝導トカマク装置からの距離 (m)図 -135Relative Error

5建屋断面高さ (m)10Relative Error

建屋断面高さ (m)

25建屋貫通孔部周辺における中性子線量率分布 （左）合理化前（右）合理化後

10-520超伝導トカマク装置からの距離 (m)

合理化箇所

152025超伝導トカマク装置からの距離 (m)

建屋貫通孔部周辺における相対誤差分布 （左）合理化前（右）合理化後

530

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020４）S. Ishida，et al .，：Status and prospect of the５．まとめ

JT-60SA project，Fusion Eng.，Des.，Vol.85，
pp.2070-2079，2010

粒子線医療施設への適用を念頭に放射線施設の一つである核融合施設を対象に，簡易計算法により検討した建５）A. M. Sukegawa，H. Kawasaki and K. Okuno：

屋貫通部のための追加遮蔽体の概念設計案について，3Conceptual Radiation Shielding Design of次元モンテカルロ計算による放射線ストリーミング評価

Superconducting Tokamak Fusion Device by PHITS，を実施し，遮蔽体構造の合理化を試みた。

Prog. Nucl. Sci. Technol.，Vol.2，pp.375-381，2011

Simon-Clifford の式による簡易計算法と 3 次元モンテ

６）W. W. Engle Jr.，A Users Manual for ANISN：A One

カルロ計算の結果を比較したところ，貫通孔内における中Dimensional Discrete Ordinates Transport Code

性子線量の減衰傾向は，全体的に Simon-Clifford 式の計with Anisotropic Scattering，K-1693，Oak Ridge

算結果が小さくなった。また，合理化前後の中性子線量

National Laboratory，1967の減衰傾向は，合理化により 2 脚目においてやや小さくな

７）Y. Seki and Y. Takeyasu：Nuclear and activation

るが，出口部における減衰率は合理化前と比較しておよそcharacteristics of materials in 14.1-MeV and

2 倍以内となり，Simon-Clifford 式の結果と同程度に抑え2.5-MeV neutron field，JAERI-M，88-230，1988

られ，設計値を満足した。したがって，合理化により当該

８）International Commission on Radiological Protection

遮蔽体（遮蔽体の厚さ：0.85m，概念設計案の約 30%）をConversion Coefficients for Use in Radiological

削減できることがわかった。3 次元モンテカルロ計算によProtection against External Radiation，ICRP

る放射線ストリーミング評価は，計算時間短縮のためのPublication 74，1995
９）A. Simon and C.E. Clifford：The attenuation of

種々の工夫が必要となるものの，遮蔽体構造の合理化を

neutrons by air ducts in shields，Nuclear Science

検討するうえで非常に有効であることが確認された。

and Engineering，1，pp.156-166，1956
参考文10）「遮蔽計算の応用技術」研究専門委員会：放射線ハ献

ンドブック―応用編―，pp.281-pp.282，2020

１）「遮蔽ハンドブック」研究専門委員会：放射線ハン

11）田中聖一朗，奥野功一，助川篤彦 : 超伝導トカマク

ドブック―基礎編―，pp.229-230，2015
２）MCNP6 Development Team：MCNP6 User’s Manual

装置建屋におけるダンプ計算を用いたダクトスト

Version 1.0 Los Alamos National Laboratory，

リーミング評価に関する研究，安藤ハザマ研究年報，

LA-CP-13-00634，Rev.0，2013

Vol.6，2018 年

３）T. Sato，Y. Iwamoto，
et al .，
：Features of Particle12）K. Shibata，O. Iwamoto，T. Nakagawa，et al .，：and Heavy Ion Transport code System (PHITS)“JENDL-4.0: A New Library for Nuclear Science

version 3.02， J. Nucl. Sci. Technol.，55，and Engineering”，J. Nucl. Sci. Technol，48(1)，pp.684-690，2018

pp.1-30，2011

Optimal neutron shielding design for duct ofSuperconducting TOKAMAK device building
Seiichiro TANAKA, Koichi OKUNO and Atsuhiko SUKEGAWA

In order to design the shielding structure for the new duct of the Superconducting TOKAMAK
device building, we are developing the evaluation method for dose distribution using the 3D
radiation transport calculation code: PHITS. In this study, we conducted a streaming evaluation
by PHITS on the conceptual design of the additional shield for the duct, which was examined inadvance by simple calculation, compared it with the simple calculation method, and optimized
the shield structure. As a result, it was found that a part of the additional shield (shieldthickness:0.85m) could be reduced compared to the conceptual design.

6