Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

STATUS REPORT OF KURRI FFAG ACCELERATORS ∗Depertment of Nuclear Science and Engeineering,
Kyoto University Research Reactor Institue,
Kumatori, Osaka, Japan

Abstract
京都大学原子炉実験所では世界初のウラン燃料体系による ADSR 実験を 2009 年 3 月に実施した。さらに 2010
年 3 月にはトリウム燃料体系による実験を実施した。また ADSR 実験の精度向上と加速器中性子源の実現に向けた、FFAG 加速器複合系のビーム強度およびビームエネルギーの増強計画について述べる。

京都大学原子炉実験所の FFAG 加速器の現状報告

1.

はじめに加速器駆動未臨界炉 (以下 ADSR:Accelerator Driven
Subcritical Reactor) は加速器で加速された陽子ビームを原子炉内部に設置されたターゲットに照射して得られる大量の核破砕中性子を用いて、未臨界核燃料体系での 核分裂連鎖反応を誘起・維持し、炉中での中性子増倍を 通じてエネルギーを発生・増幅させるシステムである。中性子の発生が加速器のビームに由来するため、加速器からのビームを止める事により未臨界状態の原子炉は必然的に停止することから、ADSR はより安全性の高いシステムと考えられる（図 1）。また ADSR で
proton beamtarget for generating
neutronaccelerator

spallation

図 2: FFAG 加速器複合系と KUCA を結合し ADSR 実
験を実施。

fissionsubcritical reactor

Beam off ! chain reaction stops
Safer system !

図 1: ADSR 概念図。
は、加速器からのビームパワーを調整することにより、原子炉の出力を制御することが可能である。未臨界炉からの出力 P は中性子源の強度 S および未臨界核燃料体系の実効増倍率 kef f 用い、P ∼ S/(1 − kef f ) と与えられる。実効増倍率 kef f は制御棒等で調整が可能で、Sは加速器のビームエネルギーやビーム電流を変化させることで調整可能となる。

2.

Assembly）と FFAG（Fixed Field Alternating Gradient）
陽子加速器複合系を結合させて実施されている（図 2）。

KUCA は、原子炉の核特性に関する基礎研究、開発研究および教育訓練を行うことを目的とした、炉心の組み替えが容易な低出力（最大出力 100W、短時間に限り1kW、通常運転時は 10W 以下）の小型研究炉である。
図 3 に示すように、A 架台、B 架台、C 架台（A, B 架台は固体減速架台、C 架台は軽水減速架台）と呼ばれる３つの架台を持つ世界的にも数少ない複数架台方式の装置である。FFAG 加速器からの陽子ビームは A 架台に導入される。表 1 に本実験の基本パラメターを示す。
表 1: The basic parameters for ADSR experiment.
Reactor output power∼10 W
Neutron multiplication factor≤ 100
Beam power≤ 0.1 W
Beam energy
100 - 150 MeV
Beam current≤ 1 nAKUCA と FFAG京都大学原子炉実験所（以下 KURRI:Kyoto University
Research Reactor Institute）における ADSR 実験は、京都大学臨界集合体（以下 KUCA:Kyoto University Critical

FFAG 加速器は固定磁場であるため、運転繰り返しを高く設定することが可能で、その結果大電流化が通常のシンクロトロンに比較して容易である。また、強収束系であるため、サイクロトロンに比較して小型かつ高エネルギー化が容易であるという利点を備えている。本
研究では ADSR のための加速器として、大電流・高エ∗ 本研究は、文部科学省のエネルギー対策特別会計委託事業による委託業務として、国立大学法人京都大学が実施した「FFAG 加速器を用いた加速器駆動未臨界炉に関する技術開発」の成果に基づくものである。

-83-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図 5: ブースターリングのバンチモニター信号（青）。加速過程で顕著なビームロスは見られない。
図 3: KUCA の内部構造。KUCA は A 架台、B 架台、C架台からなる複数架台方式の研究炉である。FFAG からの陽子ビームは A 架台に導入される。
ネルギーを同時に満足できる FFAG 方式が採用された。
KURRI の FFAG 加速器複合系は入射器、ブースター、主リングの３つのリングから構成されている（図 4）。
各リングの基本パラメターを表 2 に示す。本 FFAG シ
ステムの詳細については、文献 [1] を参照頂きたい。

図 6: 主リングのバンチモニター信号。加速過程全域にわたる緩やかなビームロスと、入射後 2.5 ms 付近での急峻なビームロスが観測される。

3.

ADSR 実験

KURRI における ADSR 実験 [3] は 2009 年 3 月と 2010
年 3 月にそれぞれウランとトリウムの２つの燃料体系を用いて実施された。図 8 はウラン燃料体系でのパルス中性子の時間応答を示している。中性子発生量の時間変図 4: FFAG 加速器複合系。入射器、ブースター、主リ化が実効増倍率によって異なる事がわかる。すなわち、ングの３つのリングから構成される。
ビーム照射直後に指数関数的な減衰を示す即発中性子成分と、時間的にほぼ一定の値を示す遅発中性子成分が
図 5 および図 6 にブースターと主リングのビームバン観察されているが、実効増倍率が大きくなるに従って、チモニターからの信号を示す。ブースターに関しては、即発中性子成分の減衰が遅くなり、遅発中性子レベルが加速過程全域に渡り顕著なビームロスは観測されない。
上昇する傾向が見られる。これにより、加速器からの陽一方主リングでは、2 種類のビームロスが観測されてい子ビームによる核破砕中性子が、未臨界核燃料体系におる。加速過程全領域にわたるゆっくりとしたロスと、入いて核分裂反応により増倍されることを確認した。
射後約 2.5 ms 付近に見られる急峻なロスである。前者の
図 9 にトリウム燃料体系での実験結果を示す。ビーロスについては、縦方向の位相空間のミスマッチに起因ム照射前には明瞭でなかった Sr-92 のγ線ピークが４時する可能性が考えられる。このため現在、電源増強によ間の照射後に観測された。
る RF 電圧向上も含め RF パターンの最適化を実施中である。後者については、加速途中で共鳴（νx − 2νy = 1）
4 . 将来計画を通過する際、ビームロスが発生していると考えられる（図 7）。ビームロス低減に向け、チューン補正のためのKURRI では、ADSR 実験精度の向上と将来の加速器補正磁極を用いた動作点の最適化を検討中である [2] 。
中性子源の可能性検討を目的として、FFAG 加速器の-84-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

表 2: KURRI-FFAG 加速器の基本パラメター。
入射器
ブースター
主リング
ラティス
加速方式
Field index k
Energy (max)Pext /Pinj
平均軌道半径8-cell spiral8-cell radial
12-cell radialInduction
RFRF
2.5∗
2.5
7.5
1.5 (2.5) MeV 11 (20) MeV 100 (150) MeV
5.00 (Max)
2.84
2.83
0.60 - 0.99 m 1.42 - 1.71 m
4.54 - 5.12 m∗
入射器の取出しエネルギーは可変。

./0123456758+#$+#)$

keff=

0.

99kef

f

=0.

96kef

f=0.

912.5[ms]+#)+#"$!*.
!

+#"+#-$+#+#+$+#++#,$!"#$%&'(&１次共鳴)*'$%&'(&２次共鳴+&'$%&'(&３次共鳴,#-$%&'(&４次共鳴

図 8: 異なる kef f での中性子発生量の時間変化。

+"#$ "#$$ "#% "#%$ "#& "#&$ "#' "#'$ "#( "#($ )!
!!-図 7: 主リングのチューンダイアグラム。入射から 2.5 ms付近で νx − 2νy = 1 の共鳴を通過する。このタイミングは急峻なビームロスのタイミングと一致する。
ビームパワー増強を計画中である。主な増強計画は、始めに入射器システムの更新によるビーム強度の増強、その後さらに核破砕中性子発生の増加を狙った FFAG リング増設によるビームエネルギーの増強である。

4.1

図 9: ビーム照射前（左）と照射後（右）のトリウムのHFGe 検出器によるフィッション測定の結果。僅かながら、Sr-92 のγ線ピークが観測された。

H− injection
4.2

通常のマルチターン方式を用いる陽子ビーム入射では、蓄積ビーム強度はインフレクターでの横方向アクセプタンスで制限されてしまうが、H− ビームを用いた荷電変換入射では、このような問題を回避できる。空間電荷効果から制限されるビーム強度は 100 Hz 運転を想定した場合 12 µA である。この入射を行うため、ERIT 1の入射器システムを流用する。この入射器システムは
RFQ と DTL から構成される 11 MeV の H− 線形加速器で、同一の施設に据え付けられている。図 10 に線形加速器、11 MeV H− ビーム輸送系および主リングの配置を示す。ビームラインの設置および入射方式の検証は2010 年中に実施する予定である。入射方式に関する詳細は文献 [4] を参照頂きたい。

700 MeV スパイラル FFAG

核破砕中性子の発生量は陽子ビームのエネルギーに強く依存し、陽子ビームのエネルギーが上がる程発生量は増大する。100 MeV と 700 MeV では約 30 倍の差が生じる。現在 700 MeV を目指したスパイラル型 FFAGリング（図 11）の設計を進めている。その基本パラメ
ターを表 3 に示す。

5.

まとめ

京都大学原子炉実験所では ADSR 実験のための FFAG加速器複合系が建設され、KUCA の A 架台に構築された未臨界核燃料体系に 100 MeV の陽子ビームを供給した。2009 年 3 月に実施された世界初のウラン燃料体系における ADSR 実験に引き続き、2010 年 3 月にはトリ

1 ERIT stands for Energy/Emittance Recovery Internal Target [1] .

-85-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図 10: H− 入射用ビームライン。

表 3: スパイラル型 700 MeV FFAG リングの基本パラメター。
Lattice
16-cell spiralField index k
12Energy150 - 700 MeV
Average orbit radii
6.6 - 7.2 m
Magnetic ﬁeld
1.5 T

図 11: 新設 700 MeV リングの配置案。

ウム燃料体系での実験も実施された。今後の ADSR 実
験の精度向上と将来の加速器中性子源に向けた可能性検討のため、H− 入射方式を用いたビーム電流増強計画を実施中である。さらに、エネルギーを 700 MeV まで増強するためのスパイラル型 FFAG リングの増設に向けた設計検討を進めている。

参考文献[1] T. Uesugi, et al., “FFAGS FOR THE ERIT AND ADS
PROJECTS AT KURRI”, Proc. of EPAC08, Genova, 2008.
[2] Y. Kuriyama, et al., “BEAM STUDY OF FFAG ACCELERATOR AT KURRI”, Proc. of IPAC10, Kyoto, 2010.
[3] C.H. Pyeon, et al., “First Injection of Spallation Neutrons
Generated by High-Energy Protons into the Kyoto University
Critical Assembly”, J. Nucl. Scie. Technol. Vol. 46 (2009),
No. 12 pp.1091-1093.
[4] K. Okabe, et al., “京都大学原子炉実験所における FFAG 加速器 H-入射システムの設計”, in these proceedings.

-86-