J-PARC大型核破砕パルス中性子源

J-PARCセンター
勅使河原

リニアック
3GeVシンクロトロン

物質・生命科学実験施設（MLF)

50GeVシンクロトロン

・1MW短パルス核破砕中性子源・米Ornl SNS (1.4MW)と競合

200m

加速器運転実績
東日本大震災・2012 300KW運転
・2013 Linac 400MeV増強
・2014 1MW定格出力へ

物質・生命科学実験施設内部
超臨界水素循環システム

中性子ビームシャッター

水素モデレータ
水銀ターゲット

中性子ビーム（２３ビームライン）

陽子ビーム(1MW, 25Hz)

物質・生命科学実験施設 実験装置一覧
特殊環境下回折装置
計画中 (KEK,京大,NEDO)

建設中

中性子核反応測定装置（東工大, JAEA, 北大)

● 稼働中

● 稼働中

茨城県生命物質構
造解析装置
(茨城県)

超高分解能粉末回折装置
(KEK)

建設中
・１８本BL 稼動・建設中
超高圧高温物質科学ステー（共用BL：5本）
ション (東大, JAEA)

● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中

中性子光学基礎物理実験装置 (KEK)

ダイナミクス解析装置(JAEA：共用)
建設中

中性子源特性試験装置 (JAEA)

4次元空間中性子探査装置（JAEA, KEK, 東北大）

● 稼働中
高分解能型チョッパー分光器
(KEK)
● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中

高強度汎用全散乱装置（NEDO, KEK）

低エネルギー分光器(JAEA)
建設中

● 稼働中
● 稼働中

建設中
建設中

茨城県材料構造解析装置(茨城県)

ナノ構造解析装置
(JAEA：共用)
高性能試料水平型反射率計 (KEK)

階層構造解析装置
(JAEA：共用)

物質構造解析装置
(JAEA：共用)● 稼働中
新材料解析装置(JAEA)

核破砕中性子源の構成
・水銀ターゲット：中性子発生
・モデレータ：中性子の減速・液体水素(20K)
・３台設置
・反射体：Be反射体

非結合型
モデレータ

陽子ビーム
(1MW, 25Hz)

ポイゾン型
モデレータ

中性子ビーム水銀ターゲット

Be反射体
5m

結合型
モデレータ

0 20cm機器保守
-遠隔保守の対象・頻度・構造材の放射線損傷のためモデレータ(1回/6年）
・結合型モデレータ（CM）
・非結合型モデレータ（DM）
・ポイゾン型モデレータ（PM）

取り出し方向反射体(1回/6年）
反射体プラグ*ターゲット容器（２回/1年）

陽子ビーム窓（１回/２年）

取り出し方向ターゲット台車

ターゲットステーション断面図

使用済み機器の保守シナリオ
移送キャスク

ベッセル
機器交
換
機器搬
出
放射化機器保管室
機器交換（０）ベッセル内空気置換
水素、冷却水ドレン
天井遮蔽体取外（１）水冷配管、水素配管取外（２）使用済み機器の乾燥装置室へ移送（３）新規モデレータ・反射体のベッセルへの移送、設置機器搬出（I）配管内冷却水乾燥（II）ホットセルへ移送（III）使用済み機器の取り出し（IV）使用済み機器の切断、収納、保管（V） 遮蔽付キャスク収納（VI）施設外へ移送

ベッセル上部、乾燥室作業→人手作業（遠隔ではない）→配管着脱作業時、・内部被ばく：トリチウム・外部被ばく：100μSv/hr（設計線量）
ホットセル内作業→遠隔操作

モデレータ・反射体及びプラグ分離構造
内部プラグ(15トン)

・独立に交換

非結合型
モデレータ(0.3トン)
ポイゾン型
モデレータ(0.3トン)
外部プラグ(15トン)
反射体(4.5トン)
結合型モデレータ(0.3トン)

移送キャスク・使用済み機器の移送
・設計表面線量 : 1mSv/hr
・グリッパ：つかみ・はなし（遠隔接続）
・下部遮蔽：下方へのγ線遮蔽
・重量 : ~130 ton （最大）(使用済機器込み)
・移送 : 130t クレーン

セル内遠隔操作機器
・コールド試験で実証済み
減速材等交換装置

内部プラグ受台

外部プラグ受台

切断装置

保管ラック
耐放射線性：1 MGy

中性子源の特長 -３種類のモデレータ・世界最大強度、最高性能○非結合型○ポイゾン型・高分解能型（早い時間減衰）
・Ag-In-Cdデカップラ
・実用化に成功

・超高分解能型（早い時間減衰且つ狭いパルス幅）
・Cdポイゾン
・実用化に成功・Ag-In-Cdデカップラ

Be

Ag-In-Cdデカップラ
Cdポイゾン板

Be○結合型
・高強度（ピーク強度）型
・独特な形状（円筒）・大きな中性子ビーム
取り出し角→最もビーム数が多いBe

10 cm

パルス中性子ビーム

時間平均中性子強度
・米Ornl SNS(1.4 MW)を凌駕！！
・原子炉中性子、JRR-3Mも凌駕！！

パルスピーク強度・米Ornl SNS(1.4 MW)の4.5倍
・ILLの40倍

4.5倍

(結合型)

40倍

大強度の冷中性子用
モデレータ材・液体水素：放射線損傷がない→MWで唯１つ・パラ水素の特性を利用
・シャープ化：急激な断面積の減少→高強度化：大容量化
・冷中性子化：エネルギー交換（パラ→オルソ）

Energy(meV)
50 J=2J=045.24 J=10Para H2

Ortho H2

・100%パラ水素に最適化

結合型
T. Kai, et al., NIM A
523 (2004) 398.

非結合型M. Harada, et al., NIM A
539 (2005) 345.

急激な減少
→・シャープ化
・高強度化（大容量サイズ）結合型モデレータ
・高強度（ピーク強度）型
・独特な形状（円筒）→パラ水素の最適化
・大きな中性子ビーム
取り出し角→最もビーム数が多い

L-H2Al合金(A6061-T6)
Be

内部構造

15J-PARC

1MW0

2010
1MW

5

2012

48kW

・パルスあたり世界最大強度10300kW

Neutron intensity per pulse(x1012 n/sr pulse)

20

SNS, US ISIS-TS2, UK

10 cm

世界の標準欧州ESS計画

米国SNS２期計画

中国中性子源非結合型モデレータ
・高分解能型（早い時間減衰）
・パラ水素に最適化
・Ag-In-Cdデカップラの採用
Ag-In-Cd デカップラ(3mmt)

デカップラ ?
・熱中性子吸収材→ パルスの早い時間減衰（モデレータに流入する遅い中性子を吸収）
・Ag-In-Cd (AIC) に着目
・PWRの制御棒で実用・高い中性子吸収エネルギー(Ed=1eV)
・ユーザーの要求
・5W/cm3に及ぶ核発熱・構造材のAl合金と接合・接合強度>30MPa

熱間等方圧加圧法 (HIP)を用いた接合材開発

Ag-In-Cd デカップラ

HIPによる接合材開発
・接合材の開発に成功
・接合強度>50MPa
・AICを実用化

AIC(3mmt)
HIP条件：100MPa, 530℃, 1hr

ポイゾン型モデレータ
・超高分解能型
・Cdポイゾン
・Ag-In-Cdデカップラ

Ag-In-Cd デカップラ(3mmt)

Cd ポイゾンポイゾン？

・Cd ポイゾン板(1.3mmt)
・アルミ被覆・狭いパルス幅・モデレータ内に挿入
・モデレータ厚さ→パルス幅・短波長(0.6Å)まで拡張
・非対称挿入→髙分解能に最適化世界最高分解能の達成
J-PARC: d/d = 0.035 %
これまで: d/d = 0.05 %(to be 0.030 % after tuning)(ISIS facility / UK)

SiriusKENS / KEK

SuperHRPD (BL08)
JSNS / J-PARC

SNS-JSNS Collaboration Meeting,Nov. 27-30, 2012

Para H2 fraction measurement

M. Teshigawara, M. Harada, H. Tatsumoto, T. Aso
JAEA
・Ramman spectroscopy
・JASCO:NRS-5100
・Measurement error：<0.5%

Why para H2 fraction measurement（１）Confirmation of moderator design
・Pulse characteristics
・Performance of para converter（２）Para to Ortho conversion due to high neutron irradiation field→Affect on pulse characteristics（３）First trial in MW facility

Sampling of super critical H2・First trial in actual operating source
・we must not affect beam operation
Super critical H2・Ｃold : 20K,
・High pressure : 1.5 MPa

Para H2 measurement
・Ramanspectroscopy
・Glass cell

How to sample?

Glass cell・~0.1MPa
・Gas H2H2 sampling・2 stage buffer → gaseous、reduction of pressure (1/100)
・Intermittent H2 introduction
First buffer
V142
V143
Vol.：100mL
Temperature：
・T142
・T7014

Buffer (10L)

Second buffer
Vol.：10L

Para
converter

HeaterPump
Accumurator

Pressure：P7001

CMDM
H2：20K, 1.5MPa, 162g/s
Vacuum
He blanket

H circulation loopPM

Para H2 fraction measurement
・300kW on beam・2012. 7. 2(Run 43)

Ramman spectroscopy
Normal H2(300K）

Para: Ortho
25:75

Off beam

・20K, 3 glass cells
No.1 100.0% ±0.4%No.298.7% ±0.4%No.399.6% ±0.4%

On beam(300kW)

・20K, 3 glass cells
No.1
99.7% ±0.4%No.299.7% ±0.4%No.399.7% ±0.4%

まとめ・世界最大強度、最高分解能を達成
・Ag-In-Cdデカップラの実用化
・Cdポイゾンの実用化・大規模施設でのパラ水素採取測定の実現

・300kWのビーム強度はパラ→オルソ変換に寄与しない・