









































































 


 






  























 

 
 



 

















 

  

 




ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴߇ਇቯᦼߦ⊒ⴕߔࠆᚑᨐႎ๔ᦠߢߔ‫ޕ‬ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߩ౉ᚻਗ߮ߦ⪺૞ᮭ೑↪ߦ㑐ߔࠆ߅໧޿วࠊߖߪ‫ޔ‬ਅ⸥޽ߡߦ߅໧޿วࠊߖਅߐ޿‫ޕ‬ߥ߅‫ోߩ࠻࡯ࡐ࡟ᧄޔ‬ᢥߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ࡎ࡯ࡓࡍ࡯ࠫ㧔http://www.jaea.go.jp/index.shtml㧕
ࠃࠅ⊒ାߐࠇߡ޿߹ߔ‫⽷߆߶ߩߎޕ‬࿅ᴺੱේሶജᒄᷣળ⾗ᢱ࠮ࡦ࠲࡯㧖ߢߪታ⾌ߦࠃࠆⶄ౮㗏Ꮣࠍⴕߞߡ߅ࠅ߹ߔ‫ޕ‬‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎㇱ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎ⺖㔚⹤ 029-282-6387, Fax 029-282-5920
㧖‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4 ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ౝThis report is issued irregularly by Japan Atomic Energy Agency
Inquiries about availability and/or copyright of this report should be addressed toIntellectual Resources Section, Intellectual Resources Department,
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1195 Japan
Tel +81-29-282-6387, Fax +81-29-282-5920© Japan Atomic Energy Agency, 2007

JAEA-Review 2007-036

���������������������
������������������� �� �������������
�����������������������
�������������������
�������� � � � �� �������� ������������������������������������������
������������������������� ����������������������
������������������������� � �������������������
���������� �� ������ ������������������������
������ �� ��������������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
������������������������������� ������
���������

i�����������

JAEA-Review 2007-036

���������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������
���������������������������������������
���������������������������������������������
���������������������������
����������������������
����������������������������
������ ��������� ��� ������� ������� ����������� ��� ���� ������� ��������� ���� ������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������
����������� ������� ������� ���� ����� ��������� ������� ����� ��������� ����� ������������ �������
���������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
����������

������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������
������������������

�
�
�
�
�
��������������������������

�

�

�

ii��
�������

�

�

�

�

�

�

JAEA-Review 2007-036

�� � ��
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������� �������������������������������������������������� ����
������������������������������������ ���������������������������������
���������
�������������������������� ������������������������������������������������������������������������
�������
���������������������������� ����������������������������������������������������������������
���������
����� ��������������������������������������������������������������
���������
�������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������
���������
���������������������������� ����������������������������������������������������������������
������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������� ����������������������������������������
�������������������������������������� ����������������������������
���������������������������� ��������������������������������������������������������������������
������������������������������ ������������������������������������������������������������
������� ����������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������ ������������������������������������������������������������
�
��

iii

��
��������

JAEA-Review 2007-036

����������
������������� �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������
������������������������������������������������������������������������������������������ ��������������������������
��������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������
��������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������
�������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������
��������������������
�������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������
�����������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������
������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������ ����������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������
�
�

��iv
�������

JAEA-Review 2007-036������� ������������������������������� ���������
�������������������
������������������������� ����������������������������������������
��������������������������� �� ������������
�������� ����������������������������
�������������������� ������������������������������������������������������� ������ ������������������������������������
�����������������������������������
������ ����������������� ��� ����������������������������������������������
�����������������������������������������
�������
��������������������� ����������������������������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
��������������������� ������������������������������������������������
�����������������������������������������
����������������� � ���������� �������������������
��������� �������� �� �������������������������������� �� ���������� �������� ������� ��������� �������� ��� �� �������������������������������������������
�������������������������� �� ���������� �������
�������� ��� � ������������������ �� �����������
�����������������������������������������
�����������

－������
1��－

JAEA-Review 2007-036

���� �������������������������������
�������������������������
���������� �����������
��������������
������������������������������������������
������ ������������ ��������
������������
���� ��������� ����������������������������������������
������������������������������������ ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������������������
����������� ����������������������� ������������ ���� �������������
�������� ������������ ���������������������������
�����������������������������������������
��������
�����������������������������������������������
������ ����� ��� �������������������� �� �������� ������������
�����������������������������������������
���������� ��� ������ ������ ���� ����������������
�����������������������������������������
������������������������������ ���������� �������
������� �� ���������������������������������
������������������������������������������
�������� � �� � �����������������������������
������� �������� ���������������������� ������
�������������� ���������������������������
������������������������������������������
������������������������������ ��������������
��������������������������������������������
������ ������������������������� ���� ��������
�������������������������������������� � ���������������������������������������������� ������ �������� ��������� ��������������������
������������������������ �������� � ���������� ����� � ��� ������ ������� �������� � ���� �������� ��������

�������

－2－

JAEA-Review 2007-036－3－

JAEA-Review 2007-036－4－

JAEA-Review 2007-036

��������������������������������������

����������������������

������������������
��������������
������������������������������������
������
���������������������� ��������������������������
���������� �� ����� �������� ��������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������������������������
���� ����������������� ������������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
����������������������������� � ������� �� ����������
��������������
���������� ������������������
���������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������
���������������������
��������������������
�����������������������
�������������������
�������������������
����������������������
�������������������
����������������������
�������������������
��������������������
�
��
���
���
���
���
���
��������������������������
�������������������
������������ � ��������� � ����������������
���������������������
�������������
�������������������

�������

－5－

JAEA-Review 2007-036

�������������������������

�����������������������������������������
������������� �������������������
������������������ �������������������
���������������������������
�����������
��������������������
��������������������������
������������������������ �����������
�����������
��������������������
���������������������
����������������������
����������������������� � ������������������
���������
���������������������
��������������
��������������������
�
��
��
��
��
��
��
��
�
����������������������
����������������
���������������������� �� �����������������
���������������������
���������������
���������������������
������������ ����� �����
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������
�����������
����������������������������������������
������������������������������� ����� �����������������
��������� ���������������������������������
������������������������������ ��� ���������
�����������������������������������������
����������������������������� � ������������
��������������� ��������������������������������������
������ � ������������� �������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������
��������������
�� ����������������������������������������
�����������������������������������������

－������
6� －�

JAEA-Review 2007-036

�������������������������������������� �����
������������������ ���� �������������������������
���������������������������������������������
�������������������������������������������
����������������������������� ��� ����������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������� ������� ������������
�����������������������������������������
���������������������������
����������������������������

��������������������

�����������������

�
���
���
���
���
�
���

���

���

���

���

������������������ �� ������������������� ����� �������������
�

�
�
�
�
�
�
�

���������������������������������������������

���������������������������

�������������������

�����������������

�����������������

�
�
�
�

�

���

�

���

���
���
���
����������������

���

���

� �� ����� ������� ������������������������

－������
7� －JAEA-Review 2007-036

������
����� �������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������
���� ������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������
���� �����������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
���� ����������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������
���� ����������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������
���� ��������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������
���� ��������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������
����������������
���� �������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������
���� ���������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������

－������8� －�

JAEA-Review 2007-036

������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������
����������������
���������� �������������������������������������������������������������������������������������������
��������� ���� �������� �������� ����� �������������� ����������� ��� �������� ������ ��������� ��������
��������������������
���� ������������������������������� ����� �����
���� �� �������������������� ������ ����������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������
���� ��� ���� �������� �������� ���� ������������ ���������� ������ ��� ���� �������� �������������� �����
���������������������������������������������������������������������������������������
���� ��� ���� �������� ����������������� ������� ��� ���������� ���� ��� ���� ����� �������� ��������
������������� ����� ��� ������ ������� ����� �������� �������� ����� �������������� ����������� ��� ��������
����������������������������������������
���� ����������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������
���� ����������� ����������������������� �� �����
��������������� ������� ������
����������������������������������
���� �� ����������������������� ������� �����������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������
�������� �������� �������� ������� �������� ���������� ������� ���������� ������������������ ���� ��������
����������������������������������������������������������������������������
�������� ���� �������� ������������� ��� �������� ���������� ���� �������� ��������������� ��������� ������
�����������������������������������������
�������� ���� ���� ����� ���������������� ������� ��� ������ ������� �������� ������ ���� ������������ �������������������������� ������� ��������� ��������� ��� �������� ������ �������� ����������� �������
�����������
�������� �������� ���� ����� ��������� ����� �������� ���� ���������� ���������� ������� ����������
����������������������������������������������������������������������������������������������
������������������� � ���������������
�����������
������� ����������������������������������������� � �����
����������������� ������������������������������� �� ���������������
������������������������ ����������

－9－

JAEA-Review 2007-036

����������������������������
���������� �������������
������������ ������ ������������ �������
���� �
���������������
���� ��������
���������� ������
������������
���� ��������
����������������������������������������
�����������������������������������������
������������������������������������������������� �����
����������������������������������������
������������������������������������� �����
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������������� �� �������
����������
���� ����������
����������������
����������������������������������������
����������� ������������������ ����� ����������
�������������������������������������������� ���� ��������������������������������������������
�������������������
�������������� �� ������������������������
������������������������������������������
����� ����������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������

��������

－ 10 －

�

JAEA-Review 2007-036

�����������

�����������

�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������
�� �������
�������
������
�
�
�����
�����
�
�
���
���
�
����������
������������
��������������
�������������
������������
��������
�����������
��������� ������
������������ ������
����������
�
�
�
�
�
��
��
��
��
�
�
��
��
��������
��������
�
���

���

��� ����������������������

����� ���������������������
���������������������
���������
�����������������������
������� �� ����������� �� ������������������������
���� �� ��������������� ������ ���������������������������
����������������������
����������������������
�����������������������
��������������� ���� �����
���� ����������������� ��� ����������������� �������������������������������� ��� ���������������
���������������� �� ������������������������
���������
�
��
��
�
�
��
��
�
��
��
�
��
��
�
��
��
�
��
�
��
�
��
��
�
��
�
��
�
�������
�������
�

�

��

��

� ����������������
��� ����������������
��� �������������������� ����������������

�

��

��

� ����������������� ����������������

��� ����������������
��� ����������������
��� ����������������
��� ���������������
��� ������������������� ����������������

�����������

�����������

��

�

��

� ���������������
��� ����������������

�

�

�

�

�

��

� ����������������

�

�

��

� ����������������

�����������
��������������������
��� ����������������

��������������� �����������������

－�������
11� －JAEA-Review 2007-036

���� ����
���������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������������������
��������������������������� �� �������������
��������������� ������� ��� ���������������
���� ���������
����������������������������������������
�������������������������� ���� �� ����������
��������������������
�������
���� ������������������� ����� �������������������� � �����������������
���� � ������������������������������� ��������
������������������� ���� � � �����������
���� � ��� ���������������������������� ���������
����������� ���� � � �����������
������������ ������������������
�������������������������
������ ��������������������������
�������������������������

－�������
12� －�

JAEA-Review 2007-036

��� ��������������������������
�������������������
���������������
��������������������������������������������
����������� �� ����� ������� ��������
���������� �� ��� �� ��������������� � ��������
���� ����������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������ ��� ���������
��������������������������������������� ��������������������������������� ����� �������������
��������������������������������������� ��������������������������������������������
������������������������ ������������������
������������� �����������������������������
�������������������������������������������
����������
����������������������� ��������������������
������� ������� ����������������������������
������� ������������������������� ��� ���������� ����������������������
������������������ ��� ����������������� ��� ����������������������������
������������������������
���������������������������
������������������������
���������������������������
��������������������������
����
�
�
���
���
���
���
����
����
� ��� ����� ��� �������������
�������
���������������������� ���� �� ���������� ��� ������ �������������� ���������
���������������
������������� ��� ���������
����� �����������
��������� ����� ������������
������������������������
���������

－ 13 －

�

�����

�

JAEA-Review 2007-036

����������
���� ����������������������
��������������� ��� �����������������������
������������������ �������������������� �����
�������������������������������������������� ����� �������������������������� � ���������
����������������������� ����� ��������������
������������������������������������������
����������������������������������������������� �������� �� �������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
������������ ��� ���������������������������
����������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� �� ��������� ��� �����

�� �� ��� ��������������

���� �������������

���� ��������

������� ��� �����������
��������������� ������������������ ���������������������������������������
������������������������ �������������������
����������� ��� ����������������������������
��������������������� � ������ ��� ����������������
����� ���������������������� ������ �������������
������������������������ � ������ ����� �������
�����������������������������������������
������������������������������������������
�����������������
���������������������������������� ����������
������������ � ����� �������������������������������

－�������
14� －JAEA-Review 2007-036

���������������� ��������������� �� �������������
����������������������������������
���������������������� ���������������������
�������������� � ��������������������������
������������������������������ ������������
����� ��� ������������������������� � ��������
��������������������������
������� ��������������
������������������������������� �������� ������
������������������������������������ ���������� ������������ �������������������������������
�����������������������������������������
�������������� ����������������� ��� ���������������������
�������������������������������������������� ���������������������������������������
����������������������� ��� ������������������������� ��������������
�����������������������������������������
����� �� ��������������������������������� �������������������������������������������
��������������� ����������������������������������������
����������������������� ������������ ����� ��������������������������� ��� ��������������������������������������
������������������������� �����������������
������－�������
15� －JAEA-Review 2007-036

�

�����
���
���� � ���������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������� ����� ������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���� �������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������� ����������� ������������������� ��� �������� �������������� � ���� ����� ������������������� ��� �������� ����� ����������� �� ��� ������ ����������� ��������� ��������� �������� ������������� � ��� ������ ���� ���������� ��������� ��� ��������� � ������������� � ��� ����� ��� �������������������������� ��������� �������� ������������ � ��� ������� � � ��� ����� ��� ��������� ��� ��� ������������ � �������
������ � � ��� ���������� ������������� ��� ��������� � �������
���������������������������������������������������������������������������������������
�������������������� ������������� � �� ���� ��－�������
16� －JAEA-Review 2007-036

������ ���������������������������������
�������������������������
����������������� �����������������������������������������
��������� ���������������������
�������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
������������������������������������� �������� �������������������������������� �������������
�������������������������������� �� �������
���������������������������� ��� �� ���������
�����������������������������������������
��������������������������������������� ��������������������������������������������
����������������� �� ��� �� ��������� � ����������������������
����������������������������������� ��� ���������������������������������������������� ������������ ���������������� � ����������� ��� ��������������� �������� ����������� ���������� ��� ������������������������������������� ��� �������
�������������� ������������������ ��� ��������� �����
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
����������������������� �� ������������������������������� ��� ����������� ����������������������������������
������������������������������������ � ���������������� ������� ��� ��������������������
�������������������������������� � �����������

��������

－ 17 －

JAEA-Review 2007-036

���������������

�������������� ������ ����������������������
�����������������������������������������
�������������� � ����������� ������ ����������
����������������� ������ �������������������
�������������
����������������������������������������
�����������������������������������������
����� ����� ��� �������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���� � ������������������������������������
�������
�������������������� ��� �� ���������������������������������
�������������� ��� �������������������������
������������������������������������������� �� �� �������� �����������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������� ����������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
����
�
�
�
����
����������
�����������
��������������
�����������
��
�
��
�
����
�
�����
�
�
�����
�
�����
�
����
�����
�
������������� ������������������ ����������������
���������� －�������
－18

�

JAEA-Review 2007-036���������
�������

��������

�
�

�����

� �
�
�

�����

�

�

�
�

�

�

�

�

� �

�

�

���

�

�

�

�

�

�
�
�
�

��� ������������������� ��� ������������������
���� �� �� � ����� ������
���������������

�
�

�����

�

���������������� ��������������������
���� ���������� ����������������� ������������ ��������� ���� �����������
������������� ��� �������� �������� ������ ������� ���� ��������������� ��������� ����������
����� �������� �������� ������� ���������� ���������� ������ ��� ���� ����� ����� ����� ��� ���������
�������������������������������������������������������������������������������
��������������
���� ��������������������������
����������������������������������� ���� ����� �������������� � � � �� �������� ���������������������
���� ����������������
������������� ����� �� ������������ ��������������
���� � � � � �������� ��������� ��������������������������������
������������������������������������������
���� �����������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
�������������
�

－
19
� －
�������

JAEA-Review 2007-036

����������������������
���������������� ��������� ����������� �����
����������������
������������� ���������� ������� �����
�����������������
����� �������������������������������� ����������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
������������������ � ���������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
����������������������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������������������������
�����������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������������� ����������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
����������������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������

－�������
20� －JAEA-Review 2007-036

������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
����������
����� ������ �����������������������������������������
�����������������������������������������
��������������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������������������������
��������������������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������������� �������
����������������������������
�
�
�
�����
�������
�������������� ����
�
�
�
�
�
�
�����
�
�����
�������
���������
�
����
�
���
�
�
�
�
���
�������
������
������� �
�� ��� ����������������������������������

�－�������
21� －JAEA-Review 2007-036

���� ��������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
����������������������������������� ��������
�����������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
�������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
��������������������������������
���������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������������� ���� �����������������������
�����������������������������������������
��������������������������������� � ������������������������������������������
�����������
���������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������
�����������
������������ ������������� ������������ ������������ ����������� ��� ���������� �����������
��������������������������������������������������������������������������������������������
������ �������������� ������ ����� �������������� ����������� ��� ���������� ���� ����� ����������
�������������������������������������� ���� ������ ��� ����� ��� �������� ������������������������ ���������������� �������� �� ���������
�������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
�������������� �������� ������� ��� ������������ ���� ������������� ���������� ��� �����
������������������������������ ��� �������������� ����������� ������������� ������� ��� ��� ���� �����������������������
��－�������
22� －JAEA-Review 2007-036

������������������������������
�������������������������������
��������������
����������������������������������������
�����������������
�������������� ������� ����� ������������������������������
����������� � ������� �� ���������������������
����� � �����������������������������������
�����������������������������������������
����������������� �� �����������������������
�����������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������
������������������� ����������������������������������������
�����������������������������������������
���������������������������
����������������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������������� ���� �������
�����������������
����������
���� ������������������������
����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
������������������������� ���� ��������������
�����������������
����� ����������
����������������������������������������
������������������� ����������������������
�����������������������������������������
�������� �� ��� ������������ �� �����������������
���������������������������������������� ��������������������

��������

－ 23 －

�
JAEA-Review 2007-036

�

�

�

�
��� �������������������� ����������
����� ����
����������������������������������������
�����������������������������������������
��������������� � �������������������������
�������
����� ���������� �������������������������������
�������������������������������
����������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
����������������������������������
�������������
����������
���� ��� ��� �������������������������������������������
���� ���������������������������������������������������������������������������
���� ��� ��� �������� ������������������������������������
���������������
��������������������������������������������������������������������������������������
���� ��������������������������������������������
���� ��������������������������������������������
���� �����������������������������������������������������������������������������������
���� �����������������������������������������������������������������������

��������
－ 24 －

JAEA-Review 2007-036

付録 発表資料
付録
発表資料
A-1. 微生物を利用したトリチウムガス回収除去の高効率化に関する研究
A-1. 微生物を利用したトリチウムガス回収除去の高効率化に関する研究
平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
平成19年7月23日(月)平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
資料1-3
平成19年7月23日(月)
CATS
資料1-3
CATS

微生物を利用したトリチウムガス
微生物を利用したトリチウムガス
回収除去の高効率化に関する研究
回収除去の高効率化に関する研究（放線菌類を用いたトリチウムガスの酸化回収特性）（放線菌類を用いたトリチウムガスの酸化回収特性）研究代表者：茨城大学・理学部 田内 広
研究代表者：茨城大学・理学部 田内 広
原子力機構担当者：小林和容、林 巧、山西敏彦
原子力機構担当者：小林和容、林 巧、山西敏彦
研究協力者：一政祐輔、東 大輔、滝沢 翔
研究協力者：一政祐輔、東 大輔、滝沢 翔
一政満子（茨城大学）
一政満子（茨城大学）
研究期間：平成１８年度
研究期間：平成１８年度

背景及び研究目的
背景及び研究目的
トリチウム除去設備：高温貴金属触媒を利用す
トリチウム除去設備：高温貴金属触媒を利用する触媒酸化・水分吸着方式
る触媒酸化・水分吸着方式
高温運転維持 ーー 設備運転コスト
高温運転維持 ーー 設備運転コスト
保守時の廃棄物
保守時の廃棄物� 環境中の水素の酸化：土壌中の微生物の作用� 環境中の水素の酸化：土壌中の微生物の作用
�
�

�
�

トリチウム利用施設内雰囲気からのトリチウム除トリチウム利用施設内雰囲気からのトリチウム除去の高効率化及び廃棄物低減の観点から非病去の高効率化及び廃棄物低減の観点から非病原性の放線菌を中心とした微生物利用の可能性
原性の放線菌を中心とした微生物利用の可能性を検討する。
を検討する。

－ 25 －

JAEA-Review 2007-036

設備概念の比較●従来方式のトリチウム除去設備概念●新方式：バイオ技術を利用した
トリチウム除去設備概念

グローブボッ クス
建屋

グローブボッ クス
建屋
循環ポンプ

予熱器

触媒塔

循環ポンプ

冷却器

高温貴金属触媒反応器（ 200 ～500 ℃)

水分吸着塔

バイオトリチウム除去装置
（常温）

水分
吸着塔

これまでの研究内容
トリチウムガスの酸化効率の高い放線菌の探索と分離
� 無毒性検定のための同定� バイオリアクター化の条件� バイオリアクターの性能評価（ＣＡＴＳによるトリチ
ウム除去試験）�

今回の研究：バイオリアクターの保存性試験－ 26 －

JAEA-Review 2007-036

トリチウムガスの酸化効率の高い放線菌
表１菌は森林などから広く採取できる。

トリチウム酸化活性の比較
菌株

HT酸化活性(％/min/cm2)

属

C05A-7-2

2.57

Kitasatospora

C05A-2-5

2.22

Kitasatospora

AI3-300.94

Streptomyces

AH127

4.04

Streptomyces

AH195

3.32

Streptomyces

13cm

10cm

代表的なトリチウム酸化活性菌のSEM観察写真
10000倍、右：2000倍）（放線菌の仲間）（左：30℃で10日ほどフィルター上に培養したバイオトリチ
ウム除去カセット

トリチウムガス暴露実験方法
トリチウムモニター

トリチウム
安全性試験装置（CATS）

バイパス

HTO濃度測定
(z

流
量
計

U字管
A
B

ドライアイス

U字管
① ② ③

(z

滅
菌
�
�
�
�
�

(z

流
量
計
�
�
�

バイオリアクター
ドライアイス↑浸漬回収によりHTO回収

U字管AB・ドライアイス：ケーソン中の余分なHTOを除去
バブラー：HTO除去されたHTの加湿U字管①～③・ドライアイス：バイオリアクターが酸化し,カセット内にとどまらなかったHTOをトラップ
フィルター：HTは装置中を循環しているためHT内の菌を除去する
バイパス：実験始めはHTが装置内を充満しておらず、流速と濃度が安定するまで利用する－ 27 －

JAEA-Review 2007-036

バイオリアクターの組立例

13cm

�10cm
30℃で10日ほどフィルター上に培養し固定したカセット状のバイオトリチウム除去装置

結果の例
トリチウム濃度比［％］

カセットへの通気時間

出口/入口

トリチウム除去率
約60%

カセット通気後出入口
トリチウム濃度比

１段で、室温、100 cm3/minの流量でガスを処理した場
合、約2000 Bq/cm3 のトリチウム（ITERで最も高いト
リチウム空間予想濃度の約10倍）を60％以上除去

経過時間 ［ 分］図

トリチウム除去性能試験

３種類のいずれかの菌株を用い、4～10℃保存で390日目、848日目、1166日目のカセットについてトリチウムガス酸化回収能力を調べた。

－ 28 －

JAEA-Review 2007-036

実験結果
分離土壌
リアクター番号岐阜県土岐市

カナダ

1

2

3

4

使用菌株

AI3-30

AH127

C05A-7-2

C05A-7-2

使用培地

ISP3

ISP3

ISP3

ISP2

保存条件

4℃

4℃

4℃

4℃

保存日数

390日

390日

1166日

848日

114.8g

79.3g

96.1g

86.4g

反応時の温度21.7℃（室温）21.9℃（室温）21.9℃（室温）22.0℃（室温）

菌株付着面積216cm2
90ml/min

培地量

HT流速
HT放出時間

216cm2
100 ml/min

216cm2110 ml/min

216cm2
100 ml/min

30分

30分

30分

30分

バイオリアクターを通過した総HT量3741kBq

4330kB14636kBq

4272kBq（a) U字管でトラップしたHTO量

1.17kBq

1.11kBq

6.49kBq

5.89kBq（b） バイオリアクターから浸漬回収したHTO量

366kBq

1991kBq

1239kBq

790kBq（c） 浸漬回収後の培地と菌体中のトリチウム水

-

-

-

-

（a)+(b)+(c）量368kBq

1992kBq

1246kBq

796kBqHT酸化回収率
（

9.8%

46.0%

26.9%

18.6%

平成18年度のまとめ
HT酸化回収能力は、保存日数390日で当初の約70%に、848日以上では当初の約30%にまで低下したが、ある程度の活性は長期保存後も維持されていた。
� C05A-7-2菌株（Kitasatospora属）は、 43日保存でのトリチウムガス酸化回収率が79％で（平成17年度の成果）、
1166日保存後でも27%の酸化回収能力を示した。
� 活性の高い状態を維持するためのカセットの保存条件としては、4℃～15℃保存で50～100日程度であると考えられる。
�－ 29 －

JAEA-Review 2007-036

研究のまとめ
本研究（通算８年間）で明らかにしたこと

1.

Streptomyces属およびKitasatospora属の土壌放線菌がトリチウムガスの
生物学的酸化回収に有用である。

2.

そのような放線菌を分離してバイオリアクターを作成し、複数連結すれば95%以上のトリチウムガス回収が可能である。

3.

バイオリアクターは、４℃保存で100日程度はその活性をほぼ完全に保つ
ことが可能。また１年程度は50%程度の活性を維持できる。

今後は応用へ向けた大流量回収システムの開発が望まれる。
成果発表
Ichimasa, M., Awagakubo, S., Takahashi, H., Tauchi, H., Hayashi, T., Kobayashi, K.,
Nishi, M., Ichimasa, Y.: Tritium eliminaton system using tritium gas oxidation bacteria.
Fusion Science and Technology 48, 759-762, 2005.

－ 30 －

JAEA-Review 2007-036

A-2. 高エネルギー中性子による機能性セラミックス材料の光・電気的照射効果
高エネルギー中性子による機能性セラミックス材料の光・電気的照射効果
A-2.
平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
平成19年7月23日(月)平成19年7月23日(月)
資料1-3
資料1-3
FNS-01
FNS-01

高エネルギー中性子による
高エネルギー中性子による機能性セラミックス材料の機能性セラミックス材料の
光・電気的照射効果
光・電気的照射効果
東北大金研 四竈樹男、永田晋二、土屋文、藤健太郎
四竈樹男、永田晋二、土屋文、藤健太郎
東北大金研

岡本圭司、鈴木徹也、本田明裕、小西芳紀、東誠二郎、室岡和樹、
岡本圭司、鈴木徹也、本田明裕、小西芳紀、東誠二郎、室岡和樹、Busabok Chumphol、井上愛知、室岡和樹、且井宏和、近藤周平
Chumphol、井上愛知、室岡和樹、且井宏和、近藤周平
Busabok
FNS担当者：山内通則
FNS担当者：山内通則
shikama@imr.tohoku.ac.jp
shikama@imr.tohoku.ac.jp

Generation ofof radiation
radiation induced
induced loss
loss
Generation
Main components of optical fiber
Main components of optical fiber
Precursor of color centerPrecursor of color center(Initial defects generated during(Initial defects generated during
manufacturing process)manufacturing process)≡Si－O－Si≡≡Si－O－Si≡
SiO network
SiO22 network

Color center
Color center≡Si－Si≡≡Si－Si≡≡Si・≡Si・

E’ center
E’ center

Si(III) defectSi(III) defect≡SiーOＨ≡SiーOＨOH linkage
OH linkage≡SiーO－O－Si≡≡SiーO－O－Si≡
Peroxylinkage
Peroxylinkage≡SiーO・≡SiーO・
NBOHC
NBOHC

照射前焼鈍、フォトブリーチングにより照射誘起損失を抑制
照射前焼鈍、フォトブリーチングにより照射誘起損失を抑制－ 31 －

JAEA-Review 2007-036

照射前焼鈍効果 – 14MeV中性子照射
630 nm1390 nm
1.4

Fast neutron irradiation
Transmission light: 630 nm
Pre-annealed time: 3h
Irradiation time: 5h

10.5

Fast neutron irradiation
Transmission light: 1390 nm
Pre-annealed time: 3h
Irradiation time: 5h

1.2
Transmission loss (dB)

Transmission loss (dB)

11

10

9.5

1
0.8
0.6
0.4
0.2

9

0

50

100

150

200

0

250

0

Pre-annealed temperature (oC)

50

100

150

200

250

Pre-annealed temperature (oC)

照射前焼鈍効果 – γ線照射630 nm1390 nm25

1.260Co gamma-ray irradiation

Transmission light: 630 nm
Pre-annealed time: 3h
Irradiation time: 20h

Transmission loss (dB)

Transmission loss (dB)

24
23
22
21

1

0.8

0.6

0.4

20
19

60Co gamma-ray irradiation
Transmission light: 1390 nm
Pre-annealed time: 3h
Irradiation time: 20h

0

50

100

150

200

250

300

350

Pre-annealed temperature (oC)

0.2

0

50

100

150

200

250

300

Pre-annealed temperature (oC)－ 32 －

350

JAEA-Review 2007-036

高速中性子照射時のフォトブリーチング効果
800nm

1.5

630 nmFast neutron irradiation
Flux: 2.9x108 n/cm2/s
Irradiation

Irradiation

1500nm

2

1500 nmFast neutron irradiation
Flux: 2.9x108 n/cm2/s

Irradiation

Neutron induced loss (dB)

Neutron indued loss (dB)

2

1

0.5

1.5

Irradiation

Irradiation

Irradiation

1

0.5
1500
bleaching630
bleaching

0

0

10

20

30
40
50
Elapsed time (h)

60

0

70

0

10

20

30
40
50
Elapsed time (h)6070

γ線照射時のフォトブリーチング効果
800nm
Irradiation

Irradiation

5
4
3
2
1
0

800nm
bleaching

0

5

10

15 20 25 30
Elapsed time (h)351500nm1.2
Gamma-ray induced loss (dB)Gamma-ray induced loss (dB)

6

Irradiation

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

40

Irradiation

1500nmBleaching

0

5

10

15

20

25

Elapsed time (h)－ 33 －

30

35

40

JAEA-Review 2007-036

アルミン酸ストロンチウム系長残光性蛍光体
C.B.

ユウロピウム(Eu)、ディスプロ
シウム(Dy)添加アルミン酸スト
ロンチウムは長残光性蛍光体(蓄光体)として知られている。

6.52 eVElectron
Eu1+

Eu2+
6000
Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+

Dy3+ ⇔ Dy4+
HoleLuminescence
0.06 eV0.65 eVV.B.

UV irradiation
After 5s

5000
Optical intensity (a.u.)

Eu2+*

4000

紫外線（350nm）照射時、および停止5秒後のスペクトル（ Sr4Al14O25:Eu2+, Dy3+ ）

3000
2000

Eu2+に起因する発光ピーク

1000
0
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Wavelength (nm)Fluorescence
Fluorescent spectra
under 14-MeV fusion neutron

Eu2+に起因する発光

1.2

Relative intensity (a.u.)1

SrAl2O4:Eu2+,Dy3+：520 nm
Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+：400, 480 nm

Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+
SrAl2O4:Eu2+,Dy3+

0.8

Dy3+に起因する発光

0.6

SrAl2O4:Eu2+,Dy3+：570 nm
Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+：570 nm

0.4
0.2
0
300

400

500
600
Wavelength (nm)

700

800

－ 34 －

JAEA-Review 2007-036

Irradiation fluence dependence
Neutron fluence dependences

Normalized intensity (a.u.)

1.2

SrAl2O4:Eu2+,Dy3+
照射が進むにつれ発光量が減少

1

Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+
耐放射線性に優れており、1019 n/m2まで高速中性子を照射しても発光量は減少しない

0.8
0.6
0.4
0.2
0

Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+
SrAl2O4:Eu2+,Dy3+

0

5
10
15
Neutron fluence (1018 n/m2)

20

Scatters were caused by a large fluctuation in the 14MeV neutron flux and by the low optical intensity.

Luminescence after ceased the irradiation
Luminescent spectra under the 14-MeV
neutron and after the irradiation is stopped
150

Luminescent intensity (a.u.)

Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+

Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+の照射停止前後のスペクトル

Irradiation
5s
60 s
380 s

蓄光体の残光原理
Eu2+：電子捕獲準位
Dy3+：正孔捕獲準位

100

照射停止後の残光スペクトルはEu2+に起因する発光のみ

50

Dy3+に起因する発光は照射停止後すぐに消える0
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Wavelength (nm)Time zero set when the fast neutron irradiation was stopped.

－ 35 －

JAEA-Review 2007-036

Long lasting emission
Long lasting emission of SrAl2O4:Eu2+,Dy3+
as a function of the neutron fluenceLong lasting emission of Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+
as a function of the neutron fluence

1

1
Fluence (n/m2)

Fluence (n/m2)

3.78 x 1018
7.58 x 1018
1.14 x 1019

Normalized intensity (a.u.)

Normalized intensity (a.u.)

1.14 x 1018
5.12 x 1018
1.25 x 1019

Long lasting emission of SrAl2O4:Eu2+,Dy3+

0.1

0

100

200

300

Long lasting emission of Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+

400

500

0.1

600

0

100

200

300

400

500

600

Elapsed time (s)Elapsed time (s)中性子照射量により残光寿命が変化
残光が長寿命化する最適な中性子量が存在Long lasting emission
Long lasting emission of Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+
as a function of the neutron fluence
1

I � A1 exp(

Fluence (n/m2)

Normalized intensity (a.u.)

3.78 x 1018
7.58 x 1018
1.14 x 1019

�t

�1

) � A2 exp(

�t

�2

) � A3 exp(

100

200
300
400
Elapsed time (s)500

Decay time (�, s)Fluence(n/m2)

������

1.14 x 1018

7.39

62.12

1225.6

5.12 x 1018

7.46

54.54

1391.51.25 x 1019

8.91

70.35

1047.7

Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+

Long lasting emission of Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+0

�3

I：残光強度、Ai：定数、t：経過時間、�i：残光寿命
SrAl2O4:Eu2+,Dy3+

0.1

�t

600

Decay time (�, s)Fluence(n/m2)

����

3.77 x 1018

2.22

53.06

857.5

7.58 x 1018

2.19

79.69

2801.61.14 x 1019

1.67

60.32

723.6

－ 36 －

��)

JAEA-Review 2007-036

まとめ
照射前熱処理および光退色（フォトブリーチング）を用いた
石英光ファイバの照射誘起損失の抑制
� 照射前焼鈍法により照射誘起損失が減少
� 焼鈍温度、時間より効果に違い。最も抑制できる最適値が存在
� フォトブリーチングにより照射誘起損失が減少
アルミン酸ストロンチウム系長残光性蛍光体（SrAl2O4:Eu2+,Dy3+、
Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+）の蛍光・残光特性� 14MeV中性子照射下で発光を示す
� 14MeV中性子照射停止後に長寿命の残光を示す
� 中性子照射量増加に伴い、残光寿命が変化
残光寿命が長くなる最適値が存在

今後の課題
光ファイバ
� 照射前焼鈍効果の物理現象
� フォトブリーチング効果の物理現象
蓄光体
� TL測定� 他放射線種での照射
核的効果が大きい：荷電粒子
電子励起 〃：γ線
� 中性子強度・エネルギー－ 37 －

JAEA-Review 2007-036

A-3. 放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発
A-3. 放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

放射化特性に配慮した
放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発
遮蔽コンクリート構造の開発

2007. 7. 23
2007. 7. 23
2007.7.23
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発
放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

はじめに
はじめに
• コンクリートが中性子線を浴びると、内部に放射性• コンクリートが中性子線を浴びると、内部に放射性核種（誘導放射能）が生成される。
核種（誘導放射能）が生成される。
• 放射化は主にナトリウム（Na）や、コバルト(Co)な• 放射化は主にナトリウム（Na）や、コバルト(Co)などのコンクリート中に存在する不純物に起因する。
どのコンクリート中に存在する不純物に起因する。
• 施設の停止後行われるメンテナンス作業時には，24Na• 施設の停止後行われるメンテナンス作業時には，24Na（半減期：15.0時間）が主要な残留放射線核種となる。
（半減期：15.0時間）が主要な残留放射線核種となる。
• 施設解体時の放射性廃棄物の減量を目的とした場合は，• 施設解体時の放射性廃棄物の減量を目的とした場合は，
152Eu（半減期：13.5年），60Co（半減期：5.3年），22Na（半減
152Eu（半減期：13.5年），
60Co（半減期：5.3年），22Na（半減期：2.6年）等が主要な残留放射線核種となる。
期：2.6年）等が主要な残留放射線核種となる。
2007.7.23
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発
放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 38 －

JAEA-Review 2007-036

低放射化コンクリートのニーズとマーケット■ 放射化問題とニーズ
施設使用中

施設解体時

放射化問題

メンテナンス者や利用者などの被爆（24Naなど）

長寿命核種による放射化レベル（152Eu,60Coなど）

ニーズ

コンクリートからの放射線量の低減

コンクリート中の残留誘導放射量の低減■ 適用対象施設
病院

PET施設（ガン診断）、粒子線治療施設（ガン治療）など

研究施設

中性子線を利用する施設、陽子線・重粒子線加速器施設など

原子力関連施設

原子力発電所、放射性廃棄物処理施設など
国際熱核融合実験炉（ITER計画）や関連実験施設など
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

国際熱核融合実験炉：ITER計画◆生態遮蔽壁14MeV中性子によるコンク
リートの放射化を低く抑える必要がある。特に施設廃棄時に莫
大な廃棄コストを強いる可能性がある長寿命核種に対する配慮が重要となる。

◆NBセル室
作業員の出入りが想定される可能性もあるので、長寿命核種に対する対策の他に、短寿命核種に対するコンクリートの放射化特性を考慮する必要がある。

Cross section of tokamak building

図版出典：
プラズマ・核融合学会誌
Vol.78 特集／ITER工学設計より
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 39 －

JAEA-Review 2007-036

対象施設の例 (1)PET施設
２００２年４月、PET診断に一部保険が適用され、急速に普及

http://www.shinyokohama.jp/pet_intro/ より

山形済生病院

PET製剤製造用サイクロトロン装置

2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

対象施設の例 (2)粒子線治療施設

若狭湾エネルギー研究センター

http://www.werc.or.jp/より2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 40 －

JAEA-Review 2007-036

対象施設の例 (3)
加速器施設

原子力発電所

大強度陽子加速器施設 (J-PARCリニアック棟)

大飯発電所

http://j-parc.jp/より

柏崎刈羽原子力発電所

2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

低放射化コンクリートの研究開発 (STEP-1)• 平成18年度の研究では，メンテナンス時の放射化レベルを低く押える事を目的に、• 放射化に関与するコンクリート中の不純物質（特に24Na）を低減するため，• 普通骨材に変えて石灰石骨材を使用したコンクリートの検討を実施するとともに，• セメント中の不純物質低減のため，セメントの一部を石灰石微粉末に置き換えたコンクリートを開発し，• 中性子線照射実験を行い，その性能を確認した。

2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 41 －

JAEA-Review 2007-036－ 42 －

JAEA-Review 2007-036

１４MeV中性子照射実験：FNS

コンクリート試料

中性子線照射実験 照射部分

D－T（重陽子ートリチウム）反応
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

コンクリートから採取した試験体の製作

コンクリート試料作成
乳鉢による粉砕

照射用コンクリート試料
粉末ビニル袋詰め寸法2cm程度

2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 43 －

JAEA-Review 2007-036

試験体の化学分析による元素別組成比率
コンクリートの元素別組成と比率
C

Si

O

Al
Ca

Fe

Si
Al
Fe
Ca
Mg
S
Na
O
C
H
その他

Si
Al
Fe
Ca
Mg
S
Na
O
C
H
その他

Ca
O

Na Mg

普通コンクリート

低放射化コンクリート

2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

100,000

100,000

10,00010,000

誘導放射能(Bq./g)

誘導放射能(Bq./g)

中性子照射の実験結果（１）

1,000

100

A:普通ポルトランド
B：低熱セメント
C：白色セメント
D：アルミナセメント

10

24

1,000

Na

100

A:普通ポルトランド
B：低熱セメント
C：白色セメント
D：アルミナセメント10Eγ=1368.6KeV
T1/2=15.0h

1

56

Mn

Eγ=846.8KeV
T1/2=2.58h

1
0

5

10

15

20

0

5

10

15

20

冷却時間（時間）

冷却時間(時間）

セメント材料の照射実験結果

2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 44 －

JAEA-Review 2007-036

中性子照射の実験結果 （２）

24

105

Na (T1/2=15.0h, E�=1368.6(KeV))
24

Na

放射能(Bq/g)

珪砂

石灰石骨材、微粉末
104

低熱ポルトランドセメント
珪砂
石灰石骨材 CaCO3
ボロン化合物 B4C

ボロン
103
1

10

冷却時間（時間）

構成材料の照射実験結果
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

中性子照射の実験結果（３）

6

6

10

10

22

Na (T1/2=2.60y)22

Na are not detected24
Na (T1/2=15.0h)
42
K (T1/2=12.4h)

24

Na (T1/2=15.0h)

42

K (T1/2=12.4h)

5

10

5

10

43

K (T1/2=22.4h)

43

K (T1/2=22.4h)

47

Ca (T1/2=4.54d)

48

Sc (T1/2=83.8d)

4

10

51

Cr (T1/2=27.7d)

54

Mn (T1/2=312d)

56

Mn (T1/2=2.58h)

3

10

2

10

誘 導 放 射 能 (B q/g)

誘 導 放 射 能 (B q/g)

47

10

51

54

Sc (T1/2=83.8d)

Cr (T1/2=27.7d)

Mn (T1/2=312d)

56

Mn (T1/2=2.58h)

3

10

2

10

1

10

1

10

0

0

10

Ca (T1/2=4.54d)

48

4

1

10

10

1

10

冷却時間（日）冷却時間（日）普通コンクリート

低放射化コンクリート
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 45 －

JAEA-Review 2007-036

24Naの誘導放射能の比較

普通コンクリート
低放射化コンクリート

誘 導 放 射 能 (Bq/g)

105▽2x104Bq/g
104

冷却時間が
2.6日から15時間に

103

24

Na(T1/2=15h)

102
1

10

冷却時間（日）2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発

まとめ• コンクリートを構成する材料についてDT中性子照射実験を行いその放射化特性を把握した。
• 低放射化コンクリート材料として普通ポルトランドセメントと石灰石骨材を選定し、セメントの一部を石灰石微粉末に置換した低放射化コ
ンクリートの調合設計を行い、サンプル試験体を作成した。
• 低放射化コンクリートと普通コンクリートに対しDT中性子照射実験を行い、低放射化コンクリートでは24Na誘導放射能が約1/7となっていることを確認した。

今後の予定
放射化特性に優れた合理的な遮蔽壁構造の開発を目的とし、ボロンを添加したコンクリート層を有する遮蔽壁構造を構築し、FNSを用いたDT中性子照射実験によりコンクリート中の放射能分布を評価する。
2007.7.23放射化特性に配慮した遮蔽コンクリート構造の開発－ 46 －

JAEA-Review 2007-036

A-4. 核融合中性子に対する各種放射線検出器の特性評価研究
A-4. 核融合中性子に対する各種放射線検出器の特性評価研究

核融合中性子に対する各種放射線検出器の核融合中性子に対する各種放射線検出器の特性評価研究
特性評価研究北海道大学大学院工学研究科 金子純一
北海道大学大学院工学研究科 金子純一
共同研究者
共同研究者
落合謙太郎、中尾 誠(JAEA)、大下英敏(信州大)、越智敦彦（神戸大）、田中秀
落合謙太郎、中尾 誠(JAEA)、大下英敏(信州大)、越智敦彦（神戸大）、田中秀
治、岩崎博行(KEK)、藤田文行、辻 勝英、押木祐介（北海道大)治、岩崎博行(KEK)、藤田文行、辻 勝英、押木祐介（北海道大)

研究の目的
研究の目的
本研究は試作検出器のDTおよびDD中性子に対する特性評価を
本研究は試作検出器のDTおよびDD中性子に対する特性評価を行なう2つのテーマからなる。
行なう2つのテーマからなる。
1. 核融合プラズマ診断用中性子エネルギースペクトロメータを目標と
1. 核融合プラズマ診断用中性子エネルギースペクトロメータを目標とした、自立膜型ならびに積層型人工ダイヤモンド放射線検出器のした、自立膜型ならびに積層型人工ダイヤモンド放射線検出器の中性子応答関数測定を行う。
中性子応答関数測定を行う。
2. Thin Gap Chamber(TGC)に対するDT、DD中性子の影響評価と核融2. Thin Gap Chamber(TGC)に対するDT、DD中性子の影響評価と核融合プラズマ診断用高計数率中性子カウンターへの発展可能性検合プラズマ診断用高計数率中性子カウンターへの発展可能性検証。
証。

－ 47 －

JAEA-Review 2007-036

1. 人工ダイヤモンド放射線検出器の応答関数測定ダイヤモンド放射線検出器の特性及び開発目標
特長
・高温動作可能（大きなバンドギャップ：5.5eV）
・高い耐放射線性（共有結合？）・高速応答（高移動度μe：2000cm2/V･sec）
・生体等価物質（原子番号：６）

開発目標
・12C(n,α）9Be反応を利用した、D-T核融合炉におけるプラ
ズマイオン温度測定用14MeV中性子エネルギースペクトロ
メータ
・高温・高放射線環境下においてエネルギー分析可能 な
人工ダイヤモンド放射線検出器の実用化－ 48 －

JAEA-Review 2007-036

前回共同研究の成果(積層型ダイヤモンド検出器)
140

印加電圧：+25V(12.5kV/cm)
gain：0.6×500
shaping time：6μｓ
エネルギー分解能：6.0％程度

120
100

カウント

CVDダイヤモンド放射線検出器の歩留まり向上を主目的として、
HP/HT Ib型ダイヤモン
ド基板上にBドープダイ
ヤモンド層と厚さ20μmの絶縁性ダイヤモンド
層を積層し検出器を製
作。

12

80
60

C(n､n')3α1240

C(n､α 0 ) 9 Be

20
0

0

2

4

6
8
10
エネルギー[MeV]1214

14MeV中性子応答関数測定例（積算結果）

エネルギー分解能：6％、検出効率：3.2×10-7 (counts/(n/cm2)

本共同研究での研究内容
H16,17年度はメーカー、産業技術総合研究所等で合成された単結晶
CVD、多結晶CVD、高圧高温合成ダイヤモンド単結晶から放射線検出器を作製し、FNSにおいて中性子応答関数測定を行った。FNSにおける実験では特に結晶中における電子捕獲に着目し実験を行った。
当初予定していた積層型ダイヤモンド検出器については、共同研究者の移籍によって残念ながら新規検出器を製作する事が出来なくなったため断念した。

－ 49 －

JAEA-Review 2007-036

使用した人工ダイヤモンドの例
結晶名

結晶タイプ

エネルギー分解能(α線)

CVD単結晶

厚さ 電極
(mm)
0.7
Pt-Au/Ti

CVD0.7
CVD219CVD単結晶0.123 Au/Ti両面

4%程度

デビアス･多
結晶
角谷ダイヤ
モンドI
角谷ダイヤ
モンドII

CVD多結晶0.124 Au/Ti両面

評価不能

HP/HT単結晶
HP/HT単結晶

0.796 Pt-Au/Ti

0.6%程度

0.3

Pt-Au/Ti

0.4%(ただし破損前)

2%程度(ピーク割れ有り)

この他に同じ結晶タイプのものを5個以上試作

14MeV中性子応答関数測定実験体系
H.V.

電荷有感型前置増幅器

1～3m
トリチウム
ターゲット

主増幅器

検出器

多重波高分析器

100°

トリチウムターゲット検出器

加速器運転条件
・重水素イオン加速電圧：350kV
・ビーム電流：0.5～1.5mA照射した14MeV中性子・エネルギー広がり：1％未満
・中性子フラックス：2×105[n/(cm2/s)]

原子力開発研究機構・FNS第1ターゲット室－ 50 －

JAEA-Review 2007-036

14MeV中性子応答関数測定結果例
角谷ダイヤ

α 線 測 定 （印 加 電 圧 -180V）

200

200

150

150

count

COUNT

角谷ダイヤ

100

50

２１０V

中性子測定

100

50

0
0

200

400

600

800

1000

1200

0
0

200

400

CHANNEL

600

800

1000

1200

channel1）α線測定結果(左側のバンプは銀ペース
トによる影響)2) 14MeV中性子応答関数測定例

原材料を超高純度炭素に変更しても電子線に対する電荷捕獲の影響は除去不能。
現状の高圧高温合成技術では対処困難

まとめ (ダイヤモンド)
・原材料を超高純度炭素に変えた場合でも電子に対する電荷捕獲に変化は無かった。主因は金属触媒からの不純物汚染と考えられる。現状の高圧高温合成技術ではこれ以上の結晶の品質向上は困難。
・多結晶体であっても、結晶品質の高いCVD法による結晶の方が電子に対する電荷捕獲は少ない。
・CVD単結晶ダイヤモンドでも、結晶品質(特に結晶性)の悪いもの
は電荷捕獲が顕著。構造欠陥の低減が課題。

CVD単結晶ダイヤモンドに開発を集中する必要あり－ 51 －

JAEA-Review 2007-036

導入したプラズマCVDダイヤモンド合成装置

セキテクトロン AX5250-S 5kW
安定動作と広い運転パラメーター+
住友電工&産総研で培われた機微技術

単結晶ダイヤモンド合成に成功!!
100μm－ 52 －

10
8

Intensity (a.u.)

・成長したダイヤモンドの厚さは100μm程度
・Diamondのsp3結合による1330 cm-1付近の明確なピーク・グラファイト等による1580 cm-1付近のピークは観測されなかった・黒くなっている原因は表面のスス→水素プラズマエッチングで除去可能

1329.6-1
FWHM：4.5cm

合成されたDiamond
測定条件：
120秒測定×５で積算

6
4
2
0
1700

1600

1500

1400

1300

Wave Number (cm-1)

1200

1100

JAEA-Review 2007-036

合成したダイヤモンドの微分干渉顕微鏡像

100μm

100μm

ダイヤモンド基板側（合成面の裏）ダイヤモンド合成面

・表面は9割方単結晶成長
・外周部と中心アイランド状に多結晶が成長・推定α値2.0～2.3
・合成温度を1100度→900度とするとα=3前後となり多結晶体は成長しない

次期共同研究では北海道大学で合成した単結晶ダイ
ヤモンドを中心に開発を進め、実用的な14MeV中性子
エネルギースペクトロメータの実現を目指す。

－ 53 －

JAEA-Review 2007-036

2. TGCに対するDT、DD中性子の影響評価

ATLAS / Neutron background in the ATLAS
ATLAS検出器

TGC LW station• 世界最高エネルギーでの衝突実験- 14 TeVでの陽子・陽子衝突• TeV領域の素粒子物理• 標準理論とそれを超える物理- ヒッグス粒子の発見、超対称性粒子の発見

長さ 44 m×高さ 22 m

TGC SW station

中性子バックグラウンド環境• TGC設置位置での入射頻度- 4 kHz/cm2 (LW station)- 37 kHz/cm2 (SW station)

中性子反応で生成した反跳原子核、原子核片は検出器内で大きなエネルギー損失をして、検出器劣化を促進する－ 54 －

JAEA-Review 2007-036

研究の目的
TGCはハドロンコライダー実験でトリガー検出器として使用されるが、高エネルギー中性子環境下でのミューオン測定を行なう必要があり、検出ガスであるn-ペンタンに対する中性子の影響評価が必要とされている。FNSにおいて、その影響評価を行うと共に、検出器の中性子応答に関するデータを蓄積し高計数率に対応可能な中性子検出器の開発につなげることを目的とする。

Thin Gap Chamber (TGC)

中性子に対する出力シグナルは
最もエネルギー損失量の大きい
2.5 MeV付近で最大となる• Multi Wire Proportional Chamberに似た形状• 陽極－陽極間間隔 ＞ 陽極－陰極間距離- “Thin”の名前の由来• Gas； CO2/n-pentane (55:45)• High Voltage； 2.9 kV－3.0 kV～ 20 cm

荷電粒子に対して99％以上の検出効率と25 ns以内の反応時間特性をもつ
ATLAS実験ではμ粒子トリガー検出器として使用される

small TGC

中性子に対する応答特性の理解とその影響評価が必要－ 55 －

JAEA-Review 2007-036

A study on the output charge from a TGC (1)FNS Beam孔、14 MeV中性子照射試験• 2.5 MeV、14 MeV中性子、90Sr β線による
出力電荷量、感度を測定• 中性子感度はシミュレーションと一致• 出力電荷量分布の外形は2.5 MeV中性子と14 MeV中性子で大きく異なる• 出力電荷量の平均値は2.5 MeV中性子と14 MeV中性子でほぼ同程度• エネルギー損失量の違いからβ線と中性子による出力電荷量はよく弁別できる

Neutron sensitivity of TGC
Ref. H.Nanjo et al., Nucl. Instr. and Meth. A 543 (2005) 441

2.5 MeV neutrons

14 MeV neutrons• Small size

• Interaction point

2.5 MeV neutrons; 0.032 %14 MeV neutrons; 0.10 %��－ 56 －

2.5 MeV neutrons; Gas, Cathode surface
14 MeV neutrons; FR4

JAEA-Review 2007-036

A study on the output charge from a TGC (2)• 出力電化量分布の外形の違2.5 MeV neutrons
Geant4 simulation

いは“Total energy deposit”の違いとして説明可能- “length < 2.8 mm”はガス中でストップすることを示す- 反跳原子核のほとんどは陽子である• シグナル生成過程における飽和現象は単位長さ当りのエネルギー損失量で説明可能- 2.5 MeV中性子は初期生成
クラスタの空間密度が高い
ためにガス増幅過程で空間電荷効果を起こし、シグナルが飽和

2.5 MeV neutrons
Geant4 simulation

クエンチングガスの分解による検出器への影響は予想より低いことが本実験により明らかとなった

Aging test for 14 MeV neutrons (1)• 劣化現象を評価するために、出力電荷量、チェンバーカレントを測定

6cm 18cm
80°Beam LineT target• 中性子照射量を1桁変化させるため、2台のTGCを6cm、18cmの距離に設置

TGC1
TGC2

180cm

• 中性子フラックス

TGC1； 4×107 neutrons/sec. cm2
動作条件； 400 V電圧降下（実効2.8 kV）

TGC2； 4×106 neutrons/sec. cm2
動作条件； 100 V電圧降下（実効3.0 kV）

80°Line、14 MeV中性子照射試験

・ 積算中性子照射量

TGC1(実効2.8 kV) ～2×1012 n/cm2
TGC2(実効3.0 kV) ～2×1011 n/cm2• 収集電荷量

TGC1 ～11 mC/cm （ATLAS25年分)
TGC2 ～2.8 mC/cm (ATLAS6年分)

ATLAS25年分の中性子照射でも安定して動作することを実証－ 57 －

JAEA-Review 2007-036

Aging test for 14 MeV neutrons (2)• 加速劣化試験前後、90Srを使用して出力電荷量を測定• TGC1、TGC2ともに約10%の出力
電荷量の減少- 印加電圧～50 Vの変動分に相当• TGC1、TGC2の出力電荷量の違いは検出器の個性によるもの• 宇宙線に対する検出効率は400V以上の長いプラトーを持つ－印加電圧～50Vの変動は検出効率に影響しない

宇宙線に対する検出効率（TGC1）～400V

核融合用検出器への展開を考えた場合、
1011n/cm2で影響が出るのは問題。ただし、2つの検出器とも同程度の影響が出ていることから、原因を明らかにする必要がある。

まとめ (TGC)
中性子とγ線の弁別も良好であり、
25nsという高速で動作する。構造材料を金属に変更した上で改良を行えば核融合プラズマ診断に応用も十分に可能。
中性子照射による出力信号低下についてはガスの選択や構造と共に開発事項。
すでに2m近い長さの検出器による位置検出技術もある事から、一次元型検出器を数10枚積層する事で中性子プロ
ファイルモニター用検出器としての発展が十分に期待できる。

－ 58 －

中性子コリメータ

プラズマ
積層型TGCJAEA-Review 2007-036

研究成果<査読付き論文>
1)

J.H.Kaneko et al, Diamond and Related Materials, 14(2005)p.p. 2027-2030, “Radiation delector
made of a high-quality polycrystalline diamond ”.
2) A. Ochi et al, Review of Scientific Instruments Vol.77, 10E709 (2006), "Thin gap chamber
performance tests under several MeV neutron sources".
3) H.Ohshita et al., Nucl. Instr. and Meth A, “Neutron irradiation test of ATLAS Thin Gap
Chamber”.(今夏投稿予定)<口頭発表>
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)

大下他, “高頻度中性子環境下におけるTGCの動作特性の研究I”,日本物理学会,2005年3月
越智他, “高頻度中性子環境下におけるTGCの動作特性の研究II”, 日本物理学会,2005年3月
大下他, “14MeV単色中性子を用いたATLAS TGCの加速劣化試験”,日本物理学会, 2005年9月
喜家村 他, “2.5MeV単色中性子に対するTGCの動作特性の研究 ”,日本物理学会, 2005年9月
大下 他, “ATLAS Thin Gap Chamberの中性子照射試験 ”, ICEPPシンポジウム,2006年2月
大下 他, “ATLAS用大型TGCに対する中性子照射試験 ”,日本物理学会 ,2006年3月
喜家村 他, “単色中性子に対するTGCの動作特性の研究 ”,日本物理学会 ,2006年3月
H.Ohshita et al., “A study on the output charge from a TGC for 2.5 MeV and 14 MeV neutrons”, IEEE NSS
国際学会発表予定(2007年10月)

補足資料－ 59 －

JAEA-Review 2007-036

A-5. DD中性子を用いた即発γ線分析手法に基づく対人地雷探知模擬実験と解析
A-5. DD中性子を用いた即発γ線分析手法に基づく対人地雷探知模擬実験と解析

核融合炉工学研究委員会
核融合炉工学研究委員会
施設利用型共同研究平成18年度終了テーマ成果報告会
施設利用型共同研究平成18年度終了テーマ成果報告会

平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
平成19年7月23日(月)平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
資料1-3
平成19年7月23日(月)FNS-04
資料1-3
FNS-04

平成１９年７月２３日
平成１９年７月２３日

DD中性子を用いた即発γ線分析手法にDD中性子を用いた即発γ線分析手法に基づく対人地雷探知模擬実験と解析
基づく対人地雷探知模擬実験と解析
研究代表者：井口哲夫（名古屋大学・工学研究科）
研究代表者：井口哲夫（名古屋大学・工学研究科）
原子力機構担当者：西谷健夫／今野 力
原子力機構担当者：西谷健夫／今野 力
研究協力者（機構以外の協力者）：
研究協力者（機構以外の協力者）：
河原林順（名大・工）、渡辺賢一（名大・工）河原林順（名大・工）、渡辺賢一（名大・工）他９名（名大・工 学生）
他９名（名大・工 学生）
研究期間：平成１６年度－１８年度
研究期間：平成１６年度－１８年度

報告内容
報告内容
１．研究背景と動機
１．研究背景と動機
ＪＳＴ対人地雷探知・除去支援プロジェクト：
ＪＳＴ対人地雷探知・除去支援プロジェクト：「地雷探査用高度化即発γ線分析システム」の開発「地雷探査用高度化即発γ線分析システム」の開発

２．ＦＮＳにおける研究内容と主な成果
２．ＦＮＳにおける研究内容と主な成果

・地雷探知模擬実験による計算解析精度の評価
・地雷探知模擬実験による計算解析精度の評価
・実機システムの実験的な性能予測 （特に、S/N比等）
・実機システムの実験的な性能予測 （特に、S/N比等）

３．まとめと今後の展望
３．まとめと今後の展望－ 60 －

JAEA-Review 2007-036

中性子誘起即発γ線分析法を用いた対人地雷探知技術
パルス高速中性子による誘起核反応の時系列

中性子誘起即発γ線分析による
対人地雷探知概念

Fast Neutronsg�-ray Detector

�-ray Detector

Thermal Neutrons

Neutron Generator
Fast
Neutron(DD/DT n. etc.)

100μs

300～800μs
Thermal Neutron
Fast Neutron
10.8 MeV

Fast Neutron

Nuclear
Reactions(n, n’γ),(n, pγ)(n, γ）

γ-ray
originPromptPromptDetectable
Elements

C, O

Ref.

4.43 MeV-ray
12

2.3 MeV-ray

C

Fast Neutron
6.13 MeV
-ray

-ray
16
14

Inelastic
Scattering

N

14

16
12

C

14

N

Inelastic
Scattering

H, S, Cl, Fe, N, ・・・・

Inelastic

O Scatterin g

N
15

O

N

Capt ure Reaction

・ W.A. Coleman, et al., Nuclear Methods of Mine Detection, Vol.III, Science Applications、Inc. Tech. Report SAI-74-203-L, May, 1974.
・ R.B. Moler, Nuclear and Atomic Methods of Mine Detection(U), Catharpin Va:Systems
Support Inc., AD-A243332, 1991.

⇒見込み薄？の結論

科学技術振興事業団 戦略的創造研究推進事業「人道的観点からの対人地雷の探知・除去活動を支援するセンシング・アクセス・制御技術の研究開発」○日本の先端的な科学技術を駆使して人道的観点からの対人地雷の探知・除去活動を支援するための研究開発し、地雷被埋設国の地雷処理機関（政府機関、国際機関、NGO等）へ技術提供。（世界平和への貢献）○２００２年より、３年～５年以内に試験機を作製して、現地にて実証試験を実施。
○１４件のプロジェクト研究を実施
・アクセス制御グループ
４件 （⇒火薬検知型センサー用に２件改良中）
・GPR（地中レーダー）グループ
６件 （⇒ほぼ開発完了、３件が現地にて実証試験）
・火薬検知型センサグループ
４件 （⇒中性子２件、核四重極共鳴１件が今年度国内実証試験予定）

中性子センサチームの開発課題（目標）

１．コンパクト・可搬で十分（適切）な線源強度を持ち、屋外使用可能な中性子源開発・探知可能な土壌深さ：～200mm
・最小探知爆薬重量：～30 g
・探知時間：1m2当り～10分間
・探知率：～99.9 %以上
・誤認率：～50 %未満
・システム重量：～200 kg以下
検出感度（検出効率およびS/N比）の大幅改善－ 61 －

２．コンパクトで高効率に高エネルギー
ガンマ線を画像化できるガンマ線
センサー開発（ＢＧＯシンチレータスタック型ガンマカメラ）

JAEA-Review 2007-036

ＪＳＴ研究プロジェクトにおける達成目標
対人地雷探知・位置決めに適した
先進中性子誘起即発ガンマ線分析システム（AＭＳ－ＧＡＮＤＡＭ）の開発(Advanced Measurement System for Gamma-rays induced by Neutrons for Detection of Anti-personnel Mines)○高機能ガンマ線センサー
・ 対人地雷爆薬に含まれる窒素の中性子捕獲反応で生成されるＭｅＶ領域特性ガンマ 線の 高効率かつ選択的な方向検出

Sensing Principle（センシング原理図）
Compact Neutron
Generator（コンパクト中性子源）⇒ ＢＧＯシンチレータロッドスタックによる蛍光パターン認識型コンパクト
ガンマカメラ○コンパクト加速器強力（ＤＤ）中性子源

Compact Gamma-Camera（コンパクトガンマカメラ）・ コンパクトサイズ（３５ｃｍΦ×９０ｃｍＬ）で、平均DD中性子発生率～２×１０ ８[ｎ／ｓ]Characteristic

DD Neutrons

Gamma-rays（特性ガンマ線）（DD核融合反応中性子）

Landmine⇒ ヘリカルプラズマイオン源を用いた
改良 コッククロフト型加速器方式（地雷）※ＤＤ中性子源がS/N比の観点から有利⇒核融合の技術波及効果と世界平和貢献

地雷探知模擬実験体系
検出対象の10.8MeVγ線は窒素の中性子捕獲反応→地雷爆薬に入射する熱中性子量が重要

熱中性子量が無限土壌体系に近い体系→ 模擬体系 をコンパクトに再現
実際の
体系

模擬
体系
加速器DD
中性子源

高速
中性子

検出器

検出器

地雷

反射材

無限土壌
中性子束～106n/cm2・s
加速器DD中性子源

土壌の組成

ガンマ線

模擬試料

ガンマ線

土壌

原子炉／大型加速器中性子源

アフガニスタン等で広く分布しているラテライト土壌を参考

SiO2：78％ Al2O3：12％ K2O：3％ Fe2O3：2％ H2O：3％
地雷模擬試料

メラミン樹脂（C3H6N6） TNT1kg～メラミン800g－ 62 －

JAEA-Review 2007-036

DD中性子源を用いた模擬実験体系
日本原子力研究開発機構核融合中性子源施設(FNS)にて実験
検出器

BGO (Bi4Ge3O12 φ3×3 inch)
HPGe (相対効率10%)
タイムゲート 300 μs ～ 950 μs

BGO
検出器

中性子源
コッククロフト加速器、DD中性子
中性子発生率：平均約２×108 n/s
中性子エネルギー：最大３．５MeV
電流モード：パルス運転、1kH、D.R．10%

遮蔽材

中性子減速材・γ線遮蔽材

Polyethylene,Cd,W,LiF

中性子源

HPGe検出器

地雷模擬試料
メラミン樹脂(C3H6N6) 800g
(TNT爆薬換算で 1kg)

模擬土壌

ラテライト土壌 (Alケース入り)
SiO2 78% Al2O3 12% K2O
Fe2O3 2% H2O 3%

模擬地雷

模擬実験体系

3%

BGO検出器およびHPGe検出器で測定された即発ガンマ線スペクトル例
1010-7-7

BGO

counts/neutron
counts/neutron

1010-8-8

BGO

N: 10.8MeV

10 -11
10000
5000
10000
5000
Energy (keV)(keV)
Energy10 -12

9000

Melamine (BGO)
no Mela. (BGO)
Melamine (HPGe)no Mela. (HPGe)
N: 10.8(F.E.)

N: 10.8(S.E.)

10-10

Al: 7724
Fe: 76317646

Si: 493400

Si: 3539

-12
10-12
10

H: 2223

-11
10-11
10

counts/neutron

-10
10
10-10

N: 10.8(D.E.)

Ge

10
10-9-9

10000
11000
12000
Energy (keV)－ 63 －

13000

JAEA-Review 2007-036

BGOシンチレータにおける着目γ線エネルギー領域

窒素の即発γ線エネルギー Eγ=10.8MeV
着目γ線領域 ±⊿E(keV)
信号(S)成分 Sc = Nm － Nb.g
ノイズ(N)成分 N = Nb.g

BGOメラミン有り
BGOメラミン無し

counts/neutron着目γ線エネルギー領域を決定→ その領域におけるカウント数で地雷有無判定

10-10

N 10.8MeV

10-11

探知率指標 (Sc－Nc) / σm

⊿E

誤認率5%、誤認率50%の双方とも探知率(検出確率) 最大となる時
探知率指標 (Sc-Nc)/σm

20⊿E=600 keV
着目γ
着目γ線エネルギー領域
10.2MeV～
10.2MeV～11.4MeV と決定

⊿E
12000

11000
E (keV)

10000

深さ
0cm
0cm
5cm
5cm

10

誤認率
5%
50 %
5%
50 %

0
600 keV

0

1000

2000

3000

⊿E (keV)

計算体系と手順
中性子・光子輸送計算コード（MCNP-4C2)
Pb

W

polyethylene

Cd

BGO
HPGe

DD neutron

γ-ray

・ 中性子源(2.45MeV単色)
パルス運転(1kHz,Duty10%)・ タイムゲート(350 μs～950μs)
・実験体系を忠実に再現

30 cm

Melamine 800g
Soil in Al case

検出器に入射する2次γ線フラックスを計算

polyethylene
100 cm(厚さ1.0mm)

300mm

電磁カスケードモンテカルロ計算コード（EGS4）
76.2mm

Bi4Ge3O12

φ76.2mmAl・γ線源条件(等方、検出器表面より30cm位置)・エネルギー幅(0～12000keV 25keV間隔)
BGOシンチレータの応答を計算－ 64 －

JAEA-Review 2007-036

実験結果と計算結果の2次γ線スペクトルの比較
実験と計算(pile-up)メラミン有無

実験と計算メラミン有無
Exp メラミン有り
Exp メラミン無し

10-7
10-8
10-9

10-10

counts/neutron

counts/neutron

10

10-6

-6

10-7
10-8

Exp メラミン有り
Exp メラミン無し
Cal pile-up メラミン有り
Cal pile-up メラミン無し

10-9
10-10

10-11

10-11
10-12
0

5000
E (keV)

10000⊿E = 600 keV
S成分
N成分
実験(Exp) 5.85E-10 3.53E-09
計算(Cal) 9.74E-10 3.03E-09
1.7
0.9
C/E

10-12
0

5000
E (keV)

10000

パイルアップを考慮すると、実験と計算は概ね一致

ガンマ線検出器遮蔽の最適化に関する実験的評価
原子力機講FNS、DD加速器中性子源において機構
Φ3×3ｲﾝﾁBGOシンチレータを用い、検出器遮蔽に関して検討
鉛遮蔽による低エネルギーγ線フィルター効果

効果的な中性子遮蔽

遮蔽材主要仕様
2.2MeV（水素即発γ線）

外形：縦200mm×横277mm×高さ130mm
材質： シリコンゴム（ﾆｭｰﾄﾛﾝ
ｽﾄｯﾌﾟ B4C50wt％）
鉛

鉛遮蔽により、低エネルギーγ線選択的抑制（5cm鉛→注目領域相対強度2.5倍）⇒pile-up効果の抑制

LiF遮蔽により、水素からの即発γ線（2.2MeV）を抑制

固定金具：アルミ
（A5052,A6063)

コスト・重量を含めたシミュレーション計算による詳細設計→ システムインテグレーションへ反映
設計要件① BGO 結 晶 の 放 射 線 損 傷 （ 中 性 子 及 び ２ 次 的 に 発 生 す る γ 線 ）BGO結晶が放射線損傷限界1000Gyに達するのに3000時間以上②ガンマ線検出器のパイルアップ
検出器への入射ガンマ線（バックグランドを含む）を5.5E+5[γ/s]以下③Ｓ／Ｎ比の最適化
地雷の有無による二次ガンマ線の計数率比を最大化④遮蔽体重量制限
AMSクレーン搭載重量制限を満たせるよう、遮蔽重量を極力低減－ 65 －

JAEA-Review 2007-036

高エネルギーガンマ線入射方向検出器の基本特性試験
位置同定ソフトウェアの開発を目的として中性子誘起即発γ線測定予備実験

検出器
中性子源

ポリエチレンブロック中の水素の位置同定
加速器DD中性子源（2.45MeV）

BGOスタック

ポリエチレン
ブロック

位置１

25cm
36cm

25cm

ポリエチレン
20×15×10cm
位置2要素検出器ユニットを用いた模擬地雷
探知予備実験 （原子力機構FNS）

測定時間1min画像再構成スクリーン(1m×1m)

高エネルギーガンマ線入射方向検出器を用いた即発ガンマ線スペクトル測定

MA-PMT信号処理ヘッドアンプ（特注品）動作確認
H 2.2 MeVCounts106

ポリエチレン
B.G.

105
40K 1.46 MeV

Compact size : 52mm x 52mm x 98mm
Highly integrated : ASIC (charge sensitive
preamplifier-shaper circuit, simultaneous
sample and hold, multiplexed analogue
readout and calibration function) followedby 14 bits flash ADC
High speed processing rate : 10 msec/event
Output : all output of MAPMT are digitalized andrecorded on PC

104
103

0

2000
4000
Energy (keV)

6000

ポリエチレン中水素からの2.2MeVガンマ線に対するエネルギースペクトル⇒ 信号処理ヘッドアンプの正常動作確認－ 66 －

JAEA-Review 2007-036

高エネルギーガンマ線入射方向検出器の基本性能評価
単純逆投影原理に基づく位置同定性能
第一発光点

��
� 1
1 ���
� ���
θ� cos �1 �1－mc 2 ����
� Eγ－E1 Eγ ���

（cm）
第二発光点

E1
θ

E1は第一発光点でのエネルギー付与

入射γ線 Eγ
エネルギー

コンプトン散乱→E1よりコンプトン散乱角が推定可能→γ線の入射方向が円錐状に限定

入射γ線
多数の事象を重ね合わせることでγ線入射方向を推定

γ線源
前方検出器 後方検出器（cm）

単純逆投影法により線源（水素）位置を再現
しかし、位置分解能は不十分⇒画像再構成法の改良要

簡便なガンマ線入射方向推定の例○検出器応答計算
電磁カスケードモンテカルロコードEGS5により、BGOガンマ線検出器内での発光パターンを計算＋統計的揺らぎ＆クロストーク効果の補正
Pb shield

電子飛跡の
逆投影

BGO detectors

NeutronGenerator

Landmine

高エネルギーガンマ線（数MeV以上）との相互作用により生成される高速電子・入射ガンマ線の運動量（入射方向）情報を保持（前方放出性）
・飛程：数mm（BGO中でも）→電子の飛跡に沿って発光が起こる！

↓
測定体系の計算モデル

付与エネルギーを重みとした発光位置に対する三次元最小二乗フィッティング
電子の進行方向 ＝ガンマ線入射方向と推定
15－ 67 －

JAEA-Review 2007-036

高エネルギーガンマ線入射方向の推定例（生）逆投影画像
入射方向推定：付与エネルギーを重みとした発光位置に対する3D最小二乗Fitting
・土壌表面に10cm四方の10.8MeV体積ガンマ線源を設置
・土壌深さ5cmに設置した110×110cmスクリーンに逆投影（1ピクセル：10×10cm）
線源中心：(x, y)=(0cm, 0cm)

線源中心：(x, y)=(20cm, 0cm)

線源中心：(x, y)=(20cm, -20cm)

110cm
Pb shield

BGO detectors

110cm

NeutronGenerator

Landmine

BGOシンチレータ柱の長軸方向の分解能は悪いものの線源位置を反映！
問題点：検出器応答特性により逆投影画像に歪ML-EM法による画像歪補正

統計学的画像再構成法 ⇒ 最尤推定-期待値最大化（ML-EM）法（核医学イメージング分野等で広く利用）
検出器出力

結果（□＝線源位置）

D ＝R・I
応答関数（EGS5により作成）

線源分布イメージ
検出器出力より正確な線源分布画像を推定（180°回転）測定（１箇所固定）測定

検出器出
力より
正確な線
源分布画
像を推定

測定を２回に分け
途中で180°
回転することで死角をなくす。
↓
ML-EM法を用いた画像再構成により位置同定精度改善可

Pb遮蔽により死角が出来るため、
大きなひずみが生ずる－ 68 －

JAEA-Review 2007-036

システム統合（中性子発生管＋ガンマカメラ）
概念設計時（H18.6)

設計方針
・主要機器（中性子源、遮へい体、ガンマ線検出器）基本配置
遮蔽解析結果から相対配置を決定。本条件を元に、周辺機器含
めたハウジング内配置検討を実施。
・短年度研究実績を踏襲した、
名古屋大学 福田教授発案による下部バルーン構造の採用
上部箱型ブレース構造の採用

製作時（H18.12)
1150

750

1100

実施設計時（H18.10)

統合システムの機器構成◎試験体系
地雷原上の設置

遠隔操作ビークルへ搭載
中性子源電源制御装置

ガンマ線検出器ラック屋外盤

第1ターゲット室（管理区域）
装置分電盤

建築躯体
レスト材

区画貫通部

模擬土壌＋模擬地雷作業室（管理区域）⑲監視モニター⑱PC（共役粒子検出器用） PC（ガンマ線検出器用）

遠隔制御装置（中性子源用）後方支援車内で操作－ 69 －

JAEA-Review 2007-036

統合システムの総合動作確認試験の実験配置
◎試験状況
装置分電盤

ｶﾞﾝﾏ線検出器ﾗｯｸ

中性子源制御電源装置

ﾊｳｼﾞﾝｸﾞ

搬出入口

遠隔制御装置

第１ターゲット室

作業室

統合システムの総合動作確認試験の初期結果●実際に中性子発生を確認

中性子発生量（×10 7 n/s）

7.0
6.0

検出器上面が全面的に発光
↓低エネルギーX線が検出器表面付近で
相互作用

5.0
4.0

35分

3.0
2.0
1.0

片側のPMTの表面が集中的に発光↓局所的にX線が漏洩か？

0.0
10:55

11:09

11:24
時刻

11:38

・5×107n/sレベルで~30分安定運転確認
・最大約1.2×10８n/sの発生を確認
・放射化法により正確な中性子発生量＆発生プロファイル評価

６検出器ユニット中、５ユニットの所定動作確認
RFノイズの影響なし、しかしＸ線の影響大？⇒改良へ－ 70 －

JAEA-Review 2007-036－ 71 －

JAEA-Review 2007-036

実験結果に基づく検出限界評価
10min測定、15cm深さに対して、
10.8MeVを対象とし、所定の性能が確保されると

5 MeV,
107 n/s, 4stacks

10 MeV,108 n/s, 6stacks
TNT換算
TNT換算
RDX換算
RDX換算

検知率：
98%（2�）検知率：
99.9%（3�）

250 g （メラミン）

450 g （メラミン）

5 MeV→10 MeV：γ線収量 1/10
中性子発生率：20倍、検出器：1.5倍（少なくとも）⇒ Total：1/10×20×1.5＝3倍

40 g （メラミン）

60 g （メラミン）

140 g
70 g

210 g
120 g

－ 72 －

JAEA-Review 2007-036

A-6. 大電力マイクロ波装置の製鉄への応用
A-6. 大電力マイクロ波装置の製鉄への応用

平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
平成19年7月23日(月)平成19年度第1回核融合炉工学研究委員会
資料1-3
平成19年7月23日(月)RFTS-01
資料1-3
RFTS-01

大電力マイクロ波装置の大電力マイクロ波装置の製鉄への応用製鉄への応用原子力研究機構 那珂核融合研究所
原子力研究機構 那珂核融合研究所
坂本慶司
坂本慶司
自然科学研究機構 核融合科学研究所
自然科学研究機構 核融合科学研究所
連係研究推進センター 佐藤元泰
連係研究推進センター 佐藤元泰

核融合の産業利用
核融合の産業利用
超伝導
超伝導
・低温
・低温

マイクロ波
マイクロ波

ダイバータ
大量計測
ダイバータ
大量計測
プロセスプラズマ
データのプロセスプラズマ
データの原子・分子データ転送技術
原子・分子データ転送技術
核融合で発電した電力の利用を拡大する技術開発によって、核融合で発電した電力の利用を拡大する技術開発によって、２１世紀以降の産業を支えてゆきます。
２１世紀以降の産業を支えてゆきます。
環境、医療、平和
環境、医療、平和省資源、省エネルギー、社会貢献
省資源、省エネルギー、社会貢献－ 73 －

JAEA-Review 2007-036

核融合学術・技術 その社会への還元
H1215

セラミックス燒結

18

21

実用化・
工業界に普及中次世代ＥＬＴ開発（新すばる望遠鏡）
アスベスト無害化

炭酸ガス排出抑制製鉄法実験

火力に依らない合成・加工

24

H11~12 岐阜県科学振興財団
ＲＳＰ事業 600万円
H12~14 文部科学省
地域連携推進研究費 3500万円
H13~15 経済産業省地域新生コンソーシアム
高砂工業他
２億６千万円H17～19 ＪＳＴ 革新技術開発 ゼロ膨張セラミックスを用いた大型超精密光学機器製造技術の開発 1.2億円

実用化・法制化

マイクロ波
実用規模
溶鉱炉建設

H18~19 経済産業省地域新生コンソーシアム
高砂工業他 1億4千万円
H18 環境省 廃棄物処理等科学研究費(分担)「アスベスト含有廃棄物の分解処理による 無害化の確認試験方法の確率とその応用」
研究代表 国立環境研
3230万円
H18 環境省 次世代廃棄物処理技術基盤整備
クボタ松下電工外装(株）1200万円H18~22 文部科学省
科学研究費特定領域[マイクロ波励起・高温
非平衡反応場の科学」
製鉄関連予定額 ２億円

ナノサイエンスバルクからナノ構造へ
物質の直接構造変換

究極の炭酸ガス排出抑制社会の構築

大電力マイクロ波プラズマ加熱
ジャイラトロン発振装置
大電力を高周波に変える
インバーター
主要性能
周波数
84GHz
<70kV
陽極電圧
陽極電流
< 22A
0.5MW/10s
出力
連続運転
0.2MW/1000s
伝送モード
ガウスモード(MOU out) 95%
電子銃形式
２極

－ 74 －

27

JAEA-Review 2007-036

平成17～19年度

超精密焼成技術「次世代すばる望遠鏡（直径３０ｍ）」

反射鏡 セグメントの精密焼成

核融合研・国立天文台／太平洋セメント・日本セラテック（株）
科学振興機構 革新技術研究開発事業１７～１９年度、１億２千万円＜超大型望遠鏡＞
1m級セグメントを1000枚敷き詰める

直径： 30m

目標：次世代超大型望遠鏡実現の基盤

ZPF(ゼロ膨張 )セラミックス製
1m級反射鏡セグメントの製造技術を開発
ConfidentialNIHON
CERATEC
2005.7.7

世界市場を席巻
研究の将来性

次世代超大型望遠鏡 宇宙望遠鏡用鏡

世界No.1の製造技術構築本提案研究

半導体露光装置ステージ

超大型・超精密光学機器製造技術

超高精度の大型部材製造技術

ZPF(日本発の新素材)

日本の光学メーカーの超精密加工技術－ 75 －

JAEA-Review 2007-036

こうやって溶かす

マイクロ波選択加熱機序
In-Situ デジタル顕微鏡
倍率１０００Ｘ

変性or溶融100ミクロン

試験風景
トラック搭載可搬型設計図

母材：
温度が低い

カルシウムや鉄分：
加熱され白熱粒界の熱伝導ですぐに溶ける

マイクロ波利用・物質創成

背景説明

ギガヘルツ帯に於ける電磁波と物性の新しい展開

マイクロ波により金属の粉末を内部から加熱
導体材料まで電子レンジ 応用範囲が拡大
その機構は未知プラズマと物性学を結合

材料開発の有力手段へ－ 76 －

JAEA-Review 2007-036

導電体でも粉なら中までマイクロ波が伝わる
波は離散的な障害物の隙間を通り抜けるから
0.1mm銅の粉末

隙間

波長100mmμ波

波長10 m
橋桁0.1m
波は橋桁を通り抜けてゆく

波動伝搬 電磁界浸透の間接的証明
金属銅粉末のプレス体の中心と表面温度差を測定
熱は高から低に流れるから 内部まで電磁波でエネルギーが輸送されている。

内部の方が100℃高い！！
小穴にシース熱電対を入れる

1000
800

温度

600
400

内部
注：熱伝導時定数
約２秒

200

表面

銅粉末プレス体

00
１００ミクロン－ 77 －

200

400 600

800 1000
時間 secJAEA-Review 2007-036

火力とマイクロ波加熱の違い
外熱（在来）

マイクロ波
温度勾配不要温度勾配必須

巨視的
非平衡

平衡

平衡

非平衡

微視的
成分または相（液／固相）場における（電場 / 磁場） Photon 選択的反応
定在波による電場・磁場の分離標準器（TE103シングルモード加熱ステージ
導波管

マイクロ波

E or H加熱試料の位置を変える

電場(E)max

磁場(H)max:シングルモードマイクロ波加熱装置と導波管内電磁場分布－ 78 －

JAEA-Review 2007-036

MICROWAVE PROCESSING AND ENGINEERINGCENTERMICROWAVE FIELDS DISTRIBUTIONWITHIN THE TE103 CAVITY
E

E

A

Electric field distribution

Quartz tube
H

Magnetic field distribution

TE103 cavity(b)H(a) (a)a/2

Spectrometer
IR Temp0

a/2

Sample
(b)

(a)
a
A-A

A

The sample is located in (a) the maximum electric (E) field area where the magnetic field is minimum;(b) the maximum magnetic(H) field area where the electric field is minimum.
At 2.45 GHz E and H nodes are about 3 cm apart

MRI

E-field – very brightIntensity (a.u.)

Emission spectroscopy for
E- and Ｈ- field in SMC by Matstubara
6.0x10dial value: 140 nm
grating: 600 g/mm
slit width: 20 micron
slit hight: -- mm
ICCD mode: Acquisition
Aquisition times: -exposure time: 1000ms
Gain: 1

4

4.0x10 4
2.0x10 4
0.0

240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310

wavelength (nm)Ｈ-field – dark(sample temp. = 1230 �C)Intensity (a.u.)

Date: 2007/02/12 22:47,
DocumentsandSettingsC:??Œ´?@?Í?_MyDocuments
renkei
20070212SMC, SMC

dial value: 140 nm
grating: 600 g/mm
slit width: 20 micron
slit hight: -- mm
ICCD mode: Acquisition
Aquisition times: -exposure time: 1000ms
Gain: 1

2.0x10 2
1.5x10 2
1.0x10 2

OH

5.0x10 1
0.0

240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310

wavelength (nm)
Date: 2007/02/12 22:47,
DocumentsandSettingsC:??Œ´?@?Í?_MyDocuments
renkei
20070212SMC, SMC－ 79 －

JAEA-Review 2007-036

参考：D. Agrawal, Penn State-U.
E-field reacted Fe3O4 exhibits grainy(crystallites) (microstructure

E-0s

E-60s

Pure Fe3O4 in E field
2500

Fe2O3

Fe3O4

Intensity (arb units)

2000

After 90 s
1500

E-90s

After 60 s
1000

After 30 s
500

Fe3O4
0
10

20

30

40

50

60

70

Two Theta (deg)Cross-Sectional Microstructure of Fe3O4
H-0 s

H-60s

Pure Fe3O4 in H field
2500

Fe3O4

Intensity (arb. units)

2000

1500

H-60s

After 60 s
1000
After 30 s
500
Fe3O4
0
10

20

30

40

50

60

70

two theta (deg.)

Cross-sectional microstructure
failed to reveal any visible grains,
thus confirming that ‘decrystallization’occurs bulk rather than surfacial.

－ 80 －

JAEA-Review 2007-036

マイクロ波による ナノドメインの生成
強磁性体結晶のナノ粒子への分解
E-90s

均一な結晶構造H-60s

非晶質に見える

均一な原子配列

1600
温
1000
度
℃

0

時間（秒）

超微細磁石の集合
倍率拡大
1万倍

0.1 mm

光学顕微鏡
Hotな状態

SEM

100ミクロン－ 81 －TEM

10ナノJAEA-Review 2007-036

ソフトフェライトの生成
素材（粉末）熱伝導8060Magnetic Moment (emu/g)

40

Phonon

20

0
-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

-20

-40

-60

-80

Field (G)BaFe12O19 Crystal 100%
80

60

10ミクロン

40

Magnetic Moment (emu/g)

BaCO3+ 4Fe3O4

20

0
-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0
-20

-40

-60

-80

Field (G－ 82 －

1000

2000

3000

4000

5000

JAEA-Review 2007-036

核融合研究発 21世紀 ハイテクのコア技術• マイクロ波はレーザーよりも深く物質の内部まで浸透できる• 物質の電子構造に直接作用する• 磁界と電界で吸収特性に大きな差がある• 粒界に巨大な温度勾配が発生する
選択加熱による微視的な非熱平衡過程である• マイクロ波磁界は結晶構造をナノレベルで変性• ソフト（磁性損失が少ない）磁性材料• 高性能自動車モーター等の超ハイテクのコア技術

視点：人類文明を守る
電力利用可能な分野

火力依存の分野

水素と核融合
化学16%

交通・運輸
24%

製鉄
11%
製紙2%
事務部門
16%
家庭13%

窯業2%
その他工業
16%

素材加工は
火力が主体

火炎を電力に置換
マイクロ波により炭酸ガス排出と原料の欠乏を防ぎ
人類文明を
守り通す

分野別エネルギー使用割合 総務省統計研修所編：日本の統計,（2005) pp146~147－ 83 －

JAEA-Review 2007-036

素材産業分野へのマイクロ波の応用
製鉄・化学など、素材産業は完成度の高い技術分野であり、1~2%の効率向上に、全力を尽くしている。
マイクロ波加熱は、原理的な違いによって、抜本的な改革を遂げるポテンシャルを有している
高純度銑鉄を事例として研究開発を紹介

キーワード：短時間・省エネ・高品質

参考：在来の高炉の工程と交互に層状に投入

60m

16/25

熱風を送ってコークスを燃やす。
熱と１酸化炭素が発生する。
その熱で鉄鉱石を約1500度まで加熱する。
一酸化炭素と鉄鉱石の酸素が化学反応して、鉄と炭酸ガスになる－ 84 －

コークス
鉄鉱石
コークス
鉄鉱石
コークス
鉄鉱石

JAEA-Review 2007-036

単位重量の鉄を作るのに消費する炭素量を約１/ 2

炭素の総量

高純度銑鉄を得るために必要な(Fe3O4+2C) ++ μW= 3Fe +２CO2

電磁波

在来の高炉

(Fe3O4+2C)+ (2C+2O2) = 3Fe +４CO2
炭素の燃焼

Fe3O4 + 4 CO

マイクロ波製鉄高炉
マイクロ波の電界で炭素を加熱
マイクロ波の磁界で酸化鉄を加熱
微砕分の利用

炭素燃焼の熱を使わない

接触大：非平衡、固体ー固体反応

必要な炭素は在来高炉の半分だけ

鉄鉱石＋コークス投入短時間 ２０分（在来高炉 ８時間）
高効率
高純度
小型

水素
分離

窒素ガス

３ｍ
マイクロ波

炭酸ガス排出抑制製鉄の誕生
電力に核融合発電等、クリーンエネルギーを使用－ 85 －

耐火物

溶銑

JAEA-Review 2007-036

炭酸ガス抑制製鉄法の予備実験• 体積： 0.9 m3• マイクロ波: 12.5 k• 周波数: 2.45 GHz

出銑の様子
出銑鉄

1380℃

マイクロ波による銑鉄の性能出来た銑鉄は
低温
高酸素濃度
不純物が
還元しない
砂のまま
溶けた鉄に
浮かび出る
スラグ不要

高純度だからさびない
Sample 1～3
在来高炉の銑鉄
0.10

Sample 4

不純物
濃度％previous study

0.02

マイクロ波銑鉄Mn

S

Si－ 86 －Ti

JAEA-Review 2007-036

マイクロ波高純度製鉄技術の波及効果
核融合炉材料
低放射化素材の開発、核融合炉のキーテクノロジー
高純度製鉄法の開発
設備の簡素化、省エネ化
生産量可変溶鉱炉の実現

H17/RFTS-02

テーマ名：大電力マイクロ波装置の製鉄への応用研究代表者：核融合科学研究所 教授
機構担当者：加熱工学研究Grリーダー

佐藤元泰
坂本慶司

目的
：
大電力マイクロ波を用いた鉄鉱石の加熱実験を行い、製鉄への応用の可能性を探るとともに、その加熱特性を明らかにする。

内容と成果：(1) 低電力RF試験
製鉄に使われるFe3O4と炭素の混合体を1mmのディスクに成型し、RF特性を調べた。
170GHzRF

酸化鉄

酸化鉄＋炭素

透過率

14%

10%

110GHzRF

酸化鉄

酸化鉄＋炭素

透過率

-

24%

－ 87 －

JAEA-Review 2007-036(2) DC特性
酸化鉄を棒状に成型し、電機抵抗率を測定
酸化鉄+炭
素

酸化鉄
電気抵抗率(M�・m)

2.1

0.92

純水(0.25 M�・m)よりも電気抵抗は大きい。

酸化鉄試料(3) 大電力RF初期試験 (短パルス実験）
上記ディスクに、170GHzジャイロトロンからのRF（短パルス）を入射し、発熱をモニターした。
ミラー

170GHz/0.2MW(16kW/cm 2)の2msec入射で温度上昇：400度
導波管
表面から1mm程度の深さに集中。
高エネルギー吸収で早い温度上昇率。

RF

温度モニター

酸化鉄

IRカメラ

RF

反射板

容器

真空容器

ショット中の発光
QuickTimeý Ç²TIFFÅià�èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç�ÅB

IRカメラ

ターゲット
Fe3O4のみ
Fe3O4+Cの混合

実験系
170GHz/20kW(～1.6kW/cm 2)の500ms
入射で融点まで高速加熱：1565度
今後の課題：
ミリ波の干渉によるパワー分布の差が大きい（金属ファン、位相制御ミラーなどのRF平均化手段が必要）
出力制御（実際の還元反応が生じると温度変化に非線形性：パワーのフィードバック制御が必要）

RF

内部：5Pa~大気
1600

Temperature (K)

導波管

800

0
0.0

Time (sec)0.5

試料の温度上昇－ 88 －

JAEA-Review 2007-036

マイクロ波溶鉱炉 構造 5 ton/day
装置形式（特許出願済み）
予熱回収マイクロ波式ロータリーキルン

予熱・熱回収高効率大出力マイクロ波発生装置の開発
マイクロ波の重畳

高温製銑部

耐火物の開発マイクロ波を吸収せず、FeOと反応しない

建設中の溶鉱炉実証装置
回転炉芯

保温外套

マイクロ波入射器

出銑口－ 89 －

JAEA-Review 2007-036

Required PowerNet microwave power

0.72 kWh/kg

1ton / day
100kg/h72kWhEfficiency 25%

300kW

クライストロン全体構造
コレクタ
ジャケット

コレクタ
ジャケット

コレク
タ
出力
窓
集束コイ
ル
空胴
部

空胴
部
電子
銃

電子
銃

－ 90 －

JAEA-Review 2007-036－ 91 －

JAEA-Review 2007-036

クライストロンセット

3100 mm

クライストロ
ン

集束コイ
ル

オイルタン
ク

工場試験セット

蒸気筒

クライストロンコレク
タ

出力導波管(出力合成器）
集束コイ
ル

オイルタ
ンクソケッ
ト

－ 92 －

JAEA-Review 2007-036

鉄の興亡
ヒッタイト：製鉄と森林破壊

ロンドン：産業革命
石炭火力と煤煙

２０世紀：石油の消費と温暖化
QuickTimeý Ç²TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç�ÅB

悠久の自然：
300万年の琵琶湖
2007.3.17 撮影

人類１万年の文明に向けて炎、火力は人類文明を築いてきました。
外熱によるエネルギー移送過程は、運動エネルギーに依存し、隣り合う粒子が平衡状態が保たれることが前提、言い換えれば、逃れられない制約条件でありました。
我々は、核融合研究におけるマイクロ波加熱を基礎として結晶レベルに作用する非平衡加熱を見いだしました。
この非平衡を用いて物質、即ち文明を作り出すことは、人類４千年の歴史に於いて未だ前例を見ないものであります。
この「新しい炎」は今後１万年の人類文明への切符です。
核融合で発電した電力を素材産業にまで拡大、
２１世紀の産業を支えます。

－ 93 －

JAEA-Review 2007-036－ 94 －

JAEA-Review 2007-036－ 95 －

JAEA-Review 2007-036－ 96 －

JAEA-Review 2007-036－ 97 －

JAEA-Review 2007-036－ 98 －

ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴߇ਇቯᦼߦ⊒ⴕߔࠆᚑᨐႎ๔ᦠߢߔ‫ޕ‬ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߩ౉ᚻਗ߮ߦ⪺૞ᮭ೑↪ߦ㑐ߔࠆ߅໧޿วࠊߖߪ‫ޔ‬ਅ⸥޽ߡߦ߅໧޿วࠊߖਅߐ޿‫ޕ‬ߥ߅‫ోߩ࠻࡯ࡐ࡟ᧄޔ‬ᢥߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ࡎ࡯ࡓࡍ࡯ࠫ㧔http://www.jaea.go.jp/index.shtml㧕
ࠃࠅ⊒ାߐࠇߡ޿߹ߔ‫⽷߆߶ߩߎޕ‬࿅ᴺੱේሶജᒄᷣળ⾗ᢱ࠮ࡦ࠲࡯㧖ߢߪታ⾌ߦࠃࠆⶄ౮㗏Ꮣࠍⴕߞߡ߅ࠅ߹ߔ‫ޕ‬‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎㇱ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎ⺖㔚⹤ 029-282-6387, Fax 029-282-5920
㧖‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4 ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ౝThis report is issued irregularly by Japan Atomic Energy Agency
Inquiries about availability and/or copyright of this report should be addressed toIntellectual Resources Section, Intellectual Resources Department,
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1195 Japan
Tel +81-29-282-6387, Fax +81-29-282-5920© Japan Atomic Energy Agency, 2007












































































 


 






  























 

 
 



 

















 

   