2024

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J

特 集で進める
核変換研究

JP
A
RC

前川 藤夫

岩元 大樹

明 午 伸一郎の核設計に資するデータの構築を目指して〜を利用した核変換のための核データ測定
RC

大強度加速器で放射性廃棄物を減らす

〜

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斎藤 滋

明 午 伸一郎

核変換研究を大きく前進させる実験施設計画

インタビューJ PARC で進める核変換研究-

大強 度加速器で放射性 廃棄物を減らす
現在、J-PARC において多くの優れた成果が創出されているよ
うに、大強度加速器は人類の知の探求から私たちの実生活に役立つ応用に至るまで、非常に価値の高いツールです。大強度加速器の将来の有望な応用の1つに、放射性廃棄物を減らす「核変換」技術があります。私たち核変換ディビジョンでは、核変換技術を開発するために、J-PARC を活用した基礎的な研究や、さらに核変加速器と原子炉を組み合わせた加速器駆動システム（ADS）、効率的に放射性廃棄物を核変換することができる。

換研究を大きく前進させるための新しい実験施設を J-PARC に設置するための検討を進めています。
原子力発電所の運転に伴い生じる使用済み燃料を再処理し、ウランとプルトニウムを資源として取り出すと、高レベル放射性廃棄物が残ります。現在の日本のシナリオでは、廃棄物をガラスの中に封じ込め、さらにその外側に幾重かのバリアを設け、地中深くに地層処分する考えです。地層処分の安全性は確認されていますが、廃棄物の毒性は万年単位で残ることもあり、国内では地層処分場の選定が思うように進みません。この課題は、国内で原子力エネルギーを利用する妨げにもなっています。また、我々の世代が作り出した廃棄物を、できるだけ子孫に押しつけたくはありません。

加速器駆動核変換システム（Accelerator Driven nucleartransmutation System, ADS）
加速器駆動核変換システム（ADS）とは、加速器と未臨界状態の原子炉を組み合わせたシステムのことです。臨界状態で運転する通常のこうした問題の解決手段の１つが、核変換技術です。核変換を原子炉とは異なり、未臨界状態の原子炉は陽子ビームを供給すること行えば、高レベル放射性廃棄物に含まれる有害な元素を大幅に減で運転されますが、ビームを停止するとすぐに運転が停止する原子炉らすことができます。これにより、毒性が残る時間を大きく短縮し、のことです。

また廃棄物の体積も減少させることができ、地層処分の負担を飛我々が考えている ADS の設計例では、超伝導陽子加速器によりエネ躍的に軽減できます。核変換技術を開発すれば、原子力発電のネッ

ルギー1.5 GeV、出力30 MW（J-PARC の約30倍！）の大強度陽子クである放射性廃棄物問題を大きく緩和できる見通しが立ちます。

ビームを加速し、これを未臨界炉心中心にある鉛ビスマス合金の標的そして、二酸化炭素を排出する発電方式を順次原子力発電に置きに打ち込みます。陽子は鉛やビスマスの原子核と反応し、多くの中性換えることにより、2050カーボンニュートラルにも貢献すること子を作り出します。これらの中性子が標的の周りに配置した核変換しができます。

たい物質と次々に反応を起こし、核変換が進みます。この未臨界炉心は直径と高さが共に約10 m の大きなタンクに収められ、タンク内は液体の鉛ビスマス合金（融点125℃）のプールになっています。この液体鉛ビスマスをポンプで循環して炉心を冷却します。炉心では800MW の熱エネルギーが発生し、この熱により蒸気発生器で蒸気を発生させ、タービンを回して発電を行うことにより270 MW の電力が得られます。そのうち100 MW は自身の加速器運転で消費しますが、残りの170 MW は売電することができます。つまり、ADS はゴミを燃やしながら発電もできるシステムと言えます。高レベル放射性廃棄物に含まれる物質の中で特に毒性が高く寿命が長い物質について、この設計の ADS 1基で通常の原子炉10基から生成する量を核変換することができます。

1INTERVIEW

日本原子力研究開発機構
J-PARC センター 核変換ディビジョン

前川 藤夫

原子炉や加速器施設の設計
では、内部で発生する核反応の影響を考慮する必要があります。これらの核反応に関する物理的な情報（データ）は、「核データ」として知られていま す。J-PARC は、ADS 核設計のための核データの測定に最適な高エネルギー加速器施設です。

J - PA R C を利用した核変換のための核データ測定
A D S の 核 設 計に資するデータの 構 築を目指して材料の損傷量を測る
高エネルギーの粒子が材料に当たると、材料を構成する原子が元々あった位置から弾き出され、放射線損傷を引き核反応で作られた核種の生成量を測る起こし、材料が劣化します。大強度の陽子ビームを使用する ADS の設計では、ビームに晒される機器の放射線損傷陽子ビームが加速器施設の構造材に当たると、放射能をを評価する必要があり、評価の指標として「原子当たりのは冷凍機が取り付けられ、損傷が原子の熱運動によって元の核種による被ばく線量を最小限に抑え、作業者が安全に子の弾かれやすさを表す「弾き出し断面積」を基に計算さの実験データは GeV エネルギー領域で世界初のものであり、反応で発生する核種の量を正確に予測することが重要です。

ADS 設計で重要な GeV エネルギー領域に関するデータが持った様々な核種（原子核の種類）が生成します。これら

弾き出し数 (dpa)」が一般的に用いられます。dpa は、原の状態に戻るのを防ぐことができるのが特徴です。特に鉄作業を行うためには、陽子と材料を構成する原子核との核れますが、この断面積の実験データは限られており、特に学会等で高い評価を受けました。

ADS は、J-PARC よりも約30倍の強度のビームを用いる不足していました。

材料損傷のメカニズムを探求するため、より信頼性の高い核種生成量の予測が求められます。

そこで私たちは、弾き出し断面積を測定する実験装置を私たちは、この予測のための基礎的なデータとなる「核種生成断面積」と呼ばれる核データを測定しています。この実験では、標的とする薄い金属に陽子ビームを照射します。
照射後、標的から放出されるγ線を測定し、細かく分析することで、核種生成断面積を得ることができます。

この実験では、J-PARC の3GeV シンクロトロン加速器を使用し、ADS の設計に必要な様々な標的に対して複数の入射エネルギーで核種生成断面積データの測定を行いました。J-PARC の高度なビーム測定技術により、他の国外施設の実験よりも精度の高い実験データ（平均測定不確かさ5% 未満）が得られています。

2INTERVIEW

これまで、弾き出し断面積の計算には NRT(Norgett-開発しました。この装置を用い、試料に GeV エネルギーRobinson-Torrens) モデルが使用されてきました。NRTによる微小な電気抵抗の変化を観測し、この値から鉄や銅とが知られていましたが、GeV エネルギー領域で我々が測の陽子ビームを照射し、試料の金属格子中に生成した損傷モデルは、低エネルギー領域で実験結果をよく再現するこなどの材料の弾き出し断面積を導出しました。この装置に定した実験結果と比較すると、２倍から３倍ほど過大に評価することが明らかになりました。そこで欠陥再結合 (arc)モデルと呼ばれる新しい物理モデルを使用して弾き出し断面積を計算したところ、その計算値は実験結果と誤差内で一致したことから、arc モデルの妥当性が示されました。
日本原子力研究開発機構
J-PARC センター 核変換ディビジョン

これらの研究成果は、ADS や J-PARC のような高エネル

岩元 大樹度向上に貢献することが期待されます。

ギー加速器施設などで使われる材料の放射線損傷評価の精さらなる信頼性向上に向けて
J-PARC で収集した実験データを用いて、核種生成断面積を予測する核反応物理モデルの検証と、AI の中核技術として知られる機械学習を用いた新たな予測法の開発も行っています。

3
INTERVIEW

約3000点の実験データを学習して予測される、1GeV 陽子入射鉄標的の核種生成断面積。横軸と縦軸は、それぞれ生成した核種を構成する中性子と陽子の数を表す。J-PARC で収集したデータも、開発した機械学習モデルの訓練データとして使用している。

日本原子力研究開発機構
J-PARC センター 核変換ディビジョン

明午 伸一郎鉄と銅の弾き出し断面積。点は実験値であり、そのうち赤点がJ-PARC で取得した実験データを表す。黒線と赤線はそれぞれNRT モデルと arc モデルによる計算値を表す。

陽子照射施設

陽子照射施設の多目的利用
陽子照射施設に導かれる陽子ビームは、ADS の研究開発以外にも様々な利用が可能です。私たちはこの陽子ビームのポテンシャルを最大限まで引き出し、広い分野で利用中性子照射室できる施設の検討を進めています。
陽子ビーム

近年、加速器の目覚ましい発達により、数十 MW の大強度加速器の実現も夢では無くなりましたが、ビームを受ける機器の材料がその大強度ビームに耐えられないことが課題であり、加速器の大強度化には材料の放射線損傷研究

ホットセル
標的（鉛ビスマス等）

陽子利用室施設の概念図。陽子ビームを利用した半導体の試験や医療用 RI の製造も可能だ。

る中性子が入射すると、核反応を起こして半導体が誤動作することが大きな問題になっています。そこで陽子照射施設において、宇宙から来る中性子とよく似たエネルギー分布を持つ世界最大強度の中性子照射場を設け、半導体の試験を行うための検討を進めています。

さらに、がん治療に有効なα線を放出するアクチニウム-225（225 Ac）が世界的に着目されており、欧米では資源として豊富に存在するトリウム -232（232 Th）に高エネルギーの陽子を照射し、核反応で225 Ac を製造しています。に、陽子照射施設の隣に材料試験用の施設（ホットラボ）福祉へ貢献するための検討を進めています。

傷研究のための照射試験をできるだけ効率的に行えるよう試験や電子顕微鏡観察など、様々な材料の照射後試験を行J-PARC の陽子ビームを用いて核変換の研究を行う陽子照射施設と、隣接する材料試験用が発展を遂げています。一方、半導体に宇宙からやって来が不可欠です。そこで、一般的に長期間を要する放射線損を設置することを検討しています。ホットラボでは、引張材料試験用施設（ホットラボ）

半導体の目覚ましい進歩により、自動車などの自動運転

陽子照射施設でも本手法を適用して225 Ac を製造し、医療本実験施設の提案は、日本学術会議の提言「未来の学術います。J-PARC の他の施設で使用した機器の試験にも振興構想（2023年度版）」において、「量子ビームを用いJ-PARC 施設の運転を目指します。

して掲載されました。また、ユーザーコミュニティーを活用でき、機器の交換頻度低減等によって、より効率的なた極限世界の解明と人類社会への貢献」の一つのテーマと2022年に立上げ、コミュニティーとの議論でさらに魅力ある施設を目指します。

ADS などの大強度加速器施設では、材料が陽子などのビームに晒されることにより、材料強度などの特性がどのように変化するのかを知ることが重要となります。そこで ADS や大強度陽子加速器施設に用いる材料の試験を行うための陽子照射施設の検討を進めています。また、J-PARC の陽子ビームを様々な分野に利用していただくための利用法も検討しています。

核変換 研究を大きく前進させる実験 施 設 計画
ビームを受ける材料の開発を加速する
陽子照射施設ADS のビーム窓などの構造材は、陽子ビームや核分裂反応で生じた中性子による極めて高い線量を持つ照射環境で使われるため、詳細な放射線損傷の研究が必要です。また、500℃の高温で液体の鉛ビスマスを標的ならびに炉心冷却材として用いますが、高温の鉛ビスマスは腐食性が高いため、鉛ビスマスが材料に対してどのような影響を与えるのか評価が必要です。さらに鉛ビスマス中にわずかに溶け込む酸素の量（溶存酸素濃度 ) が材料の腐食速度を大きく変えるため、絶妙に溶存酸素濃度をコントロールする必要があります。したがって、ADS の環境を模擬した、つまり高い4INTERVIEW

日本原子力研究開発機構
J-PARC センター 核変換ディビジョン

斎藤 滋

線量場で鉛ビスマス中の溶存酸素濃度をコントロールしながら構造材に陽子ビームを照射した試験を行い、照射に強く腐食しにくい材料の開発を行う必要があります。ADS の材料開発のため、これまで私たちは、海外の研究者と協力し、スイスの加速器施設（ポールシェラー研究所）で、鉛ビスマス標的を用いた材料照射試験を行ってきました。ただし、この試験では温度を高くしたり照射量を大きくしたりすることが難しく、まだまだ開発する課題が沢山あります。陽子照射施設を用いてこれらの課題に取り組むことは、ADSの開発において重要な役割を果たします。

2024 No. 18
表紙：ＡＤＳの陽子ビーム窓（上端の円弧）に向けて下から液体鉛ビスマス合金が流れる様子

核変換ディビジョンのスタッフご意見、ご感想をお待ちしております。

web-staﬀ@j-parc.jp＜ 編集後記 ＞
大強度加速器は真理の追求のためのツールと思われがちですが、実際には私たちの実生活に役立つツールでもあります。その一つが、本号で取り上げたカーボンニュートラルにも貢献することができる加速器駆動核変換システムです。これからも季刊誌を通して、J-PARCから生まれた様々な成果をお届けします。
季刊誌 J-PARC No.18

2024年2月発行

発行／J-PARCセンター 〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方2-4

企画・編集／J-PARCセンター広報セクション CG制作／宮﨑 剛（カシカガク） デザイン／遊文舎

https://j-parc.jp