Rey.hori/KEK

ILC施設

照沼 信浩

⾼エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
応⽤超伝導加速器センター

⾼エネルギー加速器セミナー OHOʼ21

1. はじめにn ヒッグス粒⼦の精密実験を⾏うために実現を⽬指す ILC は、衝突エネ
ルギー 250 GeV 、全⻑ 20 km の⼤規模な加速器施設である。
n 国内では⼭間部に建設することを想定、振動が少なく安定した地下の堅牢な花崗岩帯に加速器・検出器を設置する計画である。
n ILC施設の設計検討は、ILC国際設計組織、国内の産官学連携によるILC計画検討組織の協⼒で進められてきた。
n これらの施設設計の概要を紹介する。

2021.9.8

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2. 施設検討の経緯 – 背景
国際研究者組織
2005年

建設適地選定の経緯

国内候補地の検討（研究者）

1997：国内全域で⽴地可能なサイト調査開始
地盤，地質，地形を重視し，全国から条件に当てはまる⼟地を絞り込んだ
2000年頃（建設地が限定される道路トンネル・鉄道トンネルと異なり，建設地を特定せずに地盤，地質，地形の条件から建設地の適地を探索）

国際共同設計チーム GDE
2012年
7⽉

国内 13ヶ所を候補に検討

ヒッグス粒⼦発⾒
ヒ ッグス粒⼦の精密実験に必要となる衝突エネルギーは 250 GeV と判明

北上⼭地と背振⼭地に絞る

2006：⼟⽊学会との連携開始
2010年
2006：リニアコライダー⼟⽊技術研究⼩委員会
2010：国際リニアコライダー施設(ILC)の⼟⽊⼯事に関する標準⽰⽅書策定⼩委員会
2003

2010

10箇所以上の候補サイト

10⽉⽇ 本の⾼エネルギー物理学研究者会議(JAHEP) がILC をホストすることを提案

北上

欧⽶の将来戦略策定や国際将来加速器委員会(ICFA) の⽀持

2013年

ILC 技術設計書(TDR)
500GeV
リニアコライダー・コラボレーション (LCC)
国際的な ILC 設計検討は北上⼭地を前提として進める

2017年

ILC 250 GeV
ヒッグスファクトリー

脊振2010：⽇本物理学会領域シンポジウムにおいて2候補地を公表
2010：地元⼤学・⾃治体による調査開始
2012：国の予算による2候補地点に於ける地質調査
2013年
2013：ILCコミュニティにより，北上サイトを最適と評価
1⽉

ILC ⽴地評価会議を設置（JAHEP - ILC 戦略会議）
普通のトンネルと異なり，建設地を特定せずに地質・地形の観点から検討を開始した
建設時のコスト・⼯期の増⼤を防⽌するため，前段階調査では建設に係るリスク（断層，地層境界等）に注⽬した。
7⽉ 国際レビュー
8⽉ 公表

北上⼭地を ILC 建設に最適と評価

早期に 建設することを提案 (JAHEP)、欧⽶の研究者コミュニティ ーもこれを歓迎。
2020年

国際推進チーム (IDT)ILC準備研究所提案書
2021.9.8

現在、ILC は⽇本での実現を⽬指す国際的な計画として広く認識されている。
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2.1.1 国際組織による基本設計
2005年

国際共同設計チーム (GDE) 発⾜

2007年

基準設計書 (RDR)

2013年

技術設計書 (TDR)
⽇⽶欧それぞれの地域での案を併記
欧州および⽶国案︓平坦部, ⽇本案︓⼭間部

2013年

リニアコライダー・コラボレーション (LCC) 発⾜
n 技術設計の熟成
Change Request Process
TDRの改訂を審議・確定

ILC-CR-0003: Detector hall with vertical shaft access
ILC-CR-0004: Extension of the Main Linac tunnels
ILC-CR-0007: Adoption of the Asian design as solebaseline

2020年

国際推進チーム (IDT) 発⾜

2021年

準備研究所提案書
詳細設計へ

施設に関わる Change Request

ILC-CR-0009: Cryogenic Layout
ILC-CR-0011: The rearrangement of undulator positron source

ILC-CR-0012: Reduction of width of Linac Shield Wall and
Tunnel Cross-Section
ILC-CR-0013: Update of the ILC beam dump specifications
ILC-CR-0014: Cryogenic layout (2)ILC-CR-0015: Kamaboko shaped positron BDS tunnel

ILC-CR-0017: Orientation of electron/positron linacs
ILC-CR-0018: Updated power estimate for ILC-250

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TDRに例⽰された⽇⽶欧サイト（おおよそのスケールを合わせて表⽰）
背振⼭地

⽇本案（⼭岳地形）斜坑(・⽴坑)アクセス

北上⼭地

欧州案
（平坦地形）
⽴坑アクセス

⽶国案（平坦地形）
⽴坑アクセス

斜坑アクセス(~1 km)*l 車両での搬送が可能
l 避難の自由度が高い
l 距離が長くなる（10％勾配）…
長い配管

立坑アクセス(~100m)*l 距離が短い。搬入はクレーン。
l 立坑は高価l 避難はエレベータ(/階段), +退避室

* 坑⼝から深さ100mまでのアクセス⻑
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2.1.2 産学連携による検討
n 先端技術を結集する ILC 計画
産業界と学術界が協働し、設計検討、計画への理解を深めることが重要
n 2008年 ⼀般社団法⼈・先端加速器科学技術推進協議会 (AAA) 設⽴
l ⽇本全国から100社を越える企業、およそ40の学術機関が参加
l 産学連携による ILC 推進の⺟体
l 様々な部会が設定され活動

l ILC 施設に関して、⼟⽊建設業界からの参画企業が協働し、課題を整理、その対応を提⾔している。
地下トンネル・空洞の⼟⽊設計検討、地震・放射線・排⽔等の安全対策など多岐に渡る。
l さらに、持続可能社会の観点でのまちづくり、グリーン ILC（省エネ技術の取り込み）など、幅広い分野での検討が進められている。

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2.1.3 候補地域による検討
建設候補地として提案されている東北地域での活動

n 2009年

東北ILC推進協議会 を設⽴

l 地域の学術会、産業界、経済界、⾃治体の連携の要として活動
n 2016年、この協議会の下に 東北ILC準備室 を設置
l ⼟⽊技術をはじめとする専⾨家による、北上⼭地の特性に基づく具体的な施設検討（技術部⾨ 地下施設専⾨部会）
ü

建設想定ルートでの電磁探査・弾性波探査およびボーリング調査など、詳細な地質調査、および現地踏査による地形調査を実施

ü

国際組織による施設計画に現地の性状を取り⼊れた施設の検討

l 2019年に「東北 ILC 施設計画」をとりまとめ
ü ⼟⽊学会・岩盤⼒学委員会により技術的に成⽴しているとの評価を受けた
l 2018年から地域住⺠との対話形式の説明会を開始

n 2020年、 東北ILC事業推進センター が発⾜l 東北ILC準備室の役割を引き継ぐ、より強固な地域産官学連携を構築
l 地域として関与しうる多岐に渡る事柄についての検討を進める
施設設計の具体化⽀援、地域インフラ整備、居住地域づくり、住⺠説明、環境アセスメント、
海外研究者の受⼊、研究施設への地域資源活⽤、加速器関連産業振興など
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2.1.4 ⼟⽊学会による⽀援
n ILC は地下に作られる⼤型研究施設 à ⼟⽊⼯学専⾨家の知⾒・指導が必須
l 2004年、KEKからILC 施設の設計・検討に関する技術⽀援を公益社団法⼈・⼟⽊学会に要請

国際リニアコライダー⼟⽊技術研究⼩委員会 (2006 – 2013)
⼟⽊学会 岩盤⼒学委員会およびトンネル⼯学委員会
地下トンネル、⼤空洞、防災など多岐に渡る専⾨部会での検討
h"p://www.geoeng.jp/2012R3_ILC.pdf

ILC 施設の⼟⽊⼯事に関するガイドライン (2014)l 2019年︓東北 ILC 推進協議会より北上⼭地の地質地形に基づく「東北 ILC 施設計画」の評価委託

ILC 施設計画評価⼩委員会 (2019.7 – 2020.3)
⼟⽊学会 岩盤⼒学委員会
オールジャパン体制として広く国内⼤学の専⾨家を招集“「東北 ILC 施設計画」は技術的成⽴性を担保しているものと評価，その内容は妥当であると結論する”
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3. ILC施設の設計要件
n 加速器レイアウト
n 加速器からの設計要件
n 建設サイトの要件
n 候補地の地形・地質

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3.1 加速器レイアウト
ターンアラウンド

電⼦

電⼦

側加

・主

陽電
線型

加速

⼦源

最終

器

収束

ビームダンプ

系

速器

最終
衝突

ダン

ピン

収束

系

点

陽電
グリ

電⼦

ング

⼦・

主線

源

型加

速器
ターンアラウンド

陽電

全⻑

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20.
5

⼦側

加速

器

km

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世界の主な⼤型加速器

直線
3 km
地下~約9
m

l ほぼ平坦な地形に建設
l 多くは研究所敷地内に建設
l CERN, 特にDESYは市街地の下を通る

円形
3 kmm
地下~約10European XFEL（独）SLAC国⽴加速器研究所（⽶国）

地下m
円形 約25~ 6 km

直線
3.4 m
km
地下 ~約20
KEK: ⾼エネルギー加速器研究機構

CERN: 欧州原⼦核研究機構

ドイツ電⼦シンクロトロン研究所

地下 約100
m km
円形
~ 27

地下 ~
約8
m
円形
6 km

フェルミ国⽴加速器研究所（⽶国）

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10 / 74CERN LHC (Large Hadron Collider)周⻑ 27 km, 地下 100 m
⽴坑からのみアクセスl 装置搬⼊、冷却⽔・空調、電⼒l 地下⽔もポンプで揚⽔（排⽔）l 作業者は、約3.4 km毎の⽴坑（エレベータ）から。

Credit: CERN

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主トンネルは3台のTBMで掘削

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European XFEL

放射光利⽤施設

ILCと同じ技術による超伝導電⼦加速器

市街地の地下20mを通る 超伝導加速器トンネル⻑ 2.1 km, 17.5 GeV
トンネルはTBMで掘削

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l 平坦な地形に建設

国内の⼤型加速器

l 全て研究所敷地内に建設
J-PARCは沿岸部（岩盤まで杭打ち、 Open-cut⼯法）

KEK TRISTANトンネルは、Open-cut⼯法で建設

Spring-8は、⼭を削った表⾯ 、良質の岩盤上に建設 （地上施設）
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13 / 743.2 加速器からの設計要件

n 主線型加速器トンネルの交差⾓
n 加速器トンネルとジオイド
n 加速器のアライメント許容度

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3.2.1 主線型加速器トンネルの交差⾓
衝突点前後のビームラインの⼲渉を避けるà ⼤きな交差⾓へ

ルミノシティーを⾼く= クラブ空洞でバンチを回転
空洞性能の限界à ⼩さな交差⾓へ最適化 è 14 mrad
両翼の電⼦・陽電⼦トンネルに対しても 14 mrad としている

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3.2.2 加速器トンネルとジオイド
ILC加速器の配置（鉛直⽅向）
l 衝突ビームの最終収束系︓ビーム軌道を鉛直⽅向に曲げないことが重要（直進）l ⼀⽅、主加速器などの超伝導加速器はジオイドに沿った⽔平でなければならない
クライオモジュール列に液体ヘリウムを供給する技術的な制限

衝突点

オ

ジ

電
陽

2.4 km 3.5 km

ド

イ

加
主
⼦

レーザーストレイト器
速衝突ビームは直進（鉛直⽅向）

2021.9.8

電

⼦

主

加

速

器

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3.2.3 加速器のアライメント許容度
n ビームシミュレーションにより評価
l 最終収束系:

20μm (rms)以内 / 200 m

l 主線型加速器:

200μm (rms)以内 / 300 m

l その他:

100μm (rms)以内 / 150 m

l 全体として滑らかに繋げる

n 加速器の設置
n 初期設置精度は 0.3 mm 以下を要求
n トンネル完成後にビームラインの基準ネットワークを構築
n 加速器装置を設置。各装置には±10 mm程度の位置調整機構

n ビームを⽤いたアライメント
l Beam based alignment; BBA
電磁⽯の微調によるビーム軌道変化を⽤いて、より詳細にアライメントを実施

l リモート操作可能な位置調整⽤ムーバー
主線型加速器（クライオモジュール）、最終収束系電磁⽯（四極・六極）

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3.3 建設サイトの要件
n 全⻑・拡張性n 地盤振動の許容値
n 地質・地形3.4 候補地の地形・地質
n 地形による建設要件
n 地質調査n 施設計画案

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3.3.1 全⻑・拡張性
リニアコライダーの特徴 à 拡張性（延伸が可能）
⾼エネルギー化の余地がある

⽴地検討条件︓50 km の⻑距離に渡って概ね⼀様な岩盤を有すること
20.5 km

250 GeV
500 GeV33.5 km

1 TeV?

50 km

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3.3.2 地盤振動の許容値
l 電⼦および陽電⼦ビームは、それぞれ約 10 kmの主線型加速器トンネルを往復して衝突点に到達する。
l 地盤振動の影響（別々の20km） à 衝突点でのビーム位置ズレ

l ビームシミュレーションで地盤振動の許容値を評価
n 主線形加速器およびBDS
周波数 0.1 Hz 以下︓振幅 10 μm 以下
n 衝突点

周波数 0.1 Hz 以上︓振幅 100 nm 以下
周波数 0.1 Hz 以上︓振幅 50 nm 以下

n 周波数 0.1 Hz 以下のゆっくりとした変動
ビーム位置モニターによる軌道測定とステアリング電磁⽯による軌道補正を組み合わせたフィードバックで影響を抑えることが可能

n 周波数 0.1 Hz 以上の領域
軌道補正フィードバックが効かない à 許容値を下回る“静かな” 地盤が必要
⼟被りが少なく道路や河川からの振動の影響が予想される場所では、加速器機器に制振装置を取付けるなど、影響を緩和する対策を⾏う。
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20 / 74常時微動とビーム軌道の安定性
⼟⽊学会Report /2008.3

積分スペクトラム(nm)
積分スペクトラム （nm）

ILCビーム制御から要求される振幅限度

KEKB
トンネル

2008年の評価における要求振幅限度

常時微動観測点の地質条件

常時微動によるビーム軌道の変位
常時微動によるビーム軌道の変位を補正できない領域を補正できない領域

泊

KEKB 実験室

背振広野
ステアリング
電磁⽯による4極電磁石の位置を軌道補正
動かすことによるフィードバック
補正（10秒）常時微動鉛直成分

国頭
新発⽥

旭

Spring-8

重心フィードバック
補正できない
衝突点での⾼速フィードフォワード
によるビーム位置の周波数領域だがによる衝突維持 (衝突点振幅50nmまで)補正（0.1秒）
運転上問題なし

周波数
周波数 （Hz）(Hz)

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観測点

所在地

地質

⼟被り

KEKBトンネル

茨城

沖積層

<10 m

KEKB実験室

茨城

沖積層

<10 m

Spring-8

兵庫

変斑レイ岩

新発⽥

新潟

⾴岩

広野

福島

花崗閃緑岩

旭

愛知

花崗岩

50m

背振

福岡

変成岩

-

泊

⻘森

安⼭岩

14 m

国頭

沖縄

砂岩

30 m

25 m
-

花崗岩のような堅い岩盤に⽴地
常時微動は許容値を⼗分に下回る

立地の適性

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u

i y

C

l

H

l
ビーム軌道フィードバックln バンチ毎の位置を検出して補正

ILC
5Hz
200 ms t~•

位置をモニターした時点でビームは過ぎてしまう。
ビームは光速で移動àそのままでは間に合わない

1312
0.73 ms① ターンアラウンド - ILCの両端で1ps(0.3 mm)

554 ns•

バンチ毎の位置補正が可能•

Ｕターン（約1μ秒）
⾏き︓ビームのズレ検出
戻り︓補正

HC

H

② 衝突点でのビームフィードバック
11 / 37l 地盤振動の影響はバンチ列全体でほぼ⼀様•

振動〜数Hzに対して、ビーム幅 0.7 ms

l ビーム衝突後のビーム位置（蹴られ具合）
から⼊射のズレを評価
l 先頭バンチの位置ズレ à 後続バンチを補正

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3.3.3 地質・地形n LC建設候補地の地質に求めること
l 地盤振動の影響を受けにくい堅固な岩盤帯
l ⻑期間にわたる継続的変形が⽣じにくい岩盤性状l 50 km の⻑距離に渡って概ね⼀様な岩盤

n トンネル掘削でのリスク

l 「断層」「破砕帯」の遭遇 à 落盤や多量の湧⽔噴出への対策が必要となる。

堆積岩の⼭岳地帯は褶曲地層できていて地層が鉛直に⽴っていることが多く、地層境界や褶曲部では「破砕帯」ができやすい。花岡岩は⽕成岩であり、マグマが冷えて固結するときの割れ⽬が「節理」や「破砕帯」として残るが、⼤規模な地
質不良部は⽐較的少ないと考えられており、同⼀地質で⼤きな岩体が存在している。

n ⽴地評価の条件
l ⼤規模な花崗岩帯を有することを基本として選定
l 活断層の可能性が予⾒される“既知の断層が横切らない”こと
l 30km以内に活⽕⼭が存在しないことl

国内では、平地に直線 50 km のILC建設を想定することは難しい。従って、国⼟の約7割を占める⼭間部に建設することになる。

l

地表からの深さは地形に依存し、多くの場合において優に100mを越えるため、⽴坑でのアクセスは難し
く、主に斜坑によるアクセスとなる。

l

斜坑は、加速器機器の搬⼊に加え、地下と地上の施設を繋ぐケーブル・配管等のルートでもあり、その⻑さは、全体の⼯事⼯程、コストに⼤きく影響する。
2021.9.8

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3.4 候補地の地質・地形
l北上⼭地︓起伏が⼩さいなだらかな⾼原状地形。⾮⽕⼭性の⼭地。
l検討地域︓南北に連なる 3つの花崗岩帯。50 km に延伸する場合、そのほとんどが花崗岩帯に収まる。

「東北ILC施設計画」より抜粋
2021.9.8

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3.4.1 候補地の地形による建設要件

n 2013 年から国際設計チームは北上⼭地を想定して検討を開始。
l 北上⼭地では起伏が⼩さく、深さ 100 m 程に衝突点を設定できる

l ⽴坑アクセスによる検出器建設の⼤幅な効率改善が期待できる
ü 衝突点以外からのアクセスについては、従来どおりの斜坑とする。
l その⻑さは加速器トンネルの深さに依存、トンネルは浅い⽅が好ましい。
l ⼀⽅、幾つか⼩さな河川を横断する場所があり、そこでは安全を⾒込んで最低20 m の岩盤厚みを確保する

ü 加速器トンネルは標⾼ 110 ｍ に設定された。
2021.9.8

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3.4.2 地質調査
2009 年から 2017 年にかけて、東北⼤および岩⼿県が実施

n ボーリング調査
直接サンプリング、物性試験

n 電磁探査⽔の存在、割れ⽬の推定n 弾性波探査
岩⽯の硬さ、連続性

2021.9.8

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26 / 74ボーリング調査
採取したコアから極めて良好な花崗岩であることを確認
取り出したサンプルl 室内岩⽯試験（東北⼤）⼀軸圧縮強さ、圧裂引張強さ、
超⾳波速度

l 蛍光X線分析（東北⼤）（重⾦属含有量評価）

l 中性⼦照射試験（KEK）（放射化の評価）

特に問題になりそうなものは無い

通常の岩⽯「東北ILC施設計画」より抜粋

2021.9.8

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北上⼭地の地質「東北ILC施設計画」より抜粋

弾性波探査

⾮常に速い弾性波
速度を観測
à堅固な岩⽯が拡がっている

電磁(電気)探査l 局所的に電気抵抗率が低い箇所（河川付近）は⽔の⼊った割れ⽬の存在が疑われる。より詳細な調査を⾏い設計に反映する。
l ⼀⽅、深度 100 m 以深の電気抵抗率は概ね⾼い値を⽰す。ほぼ全域で割れ⽬の少ない健岩が広がっているものと予測。
2021.9.8

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3.4.3 「東北ILC施設計画」
l 東北地域では、東北ILC準備室 地下施設専⾨部会が中⼼となり、衝突点、アクセストンネル、加速器トンネル、地上および地下の設備施設など、北上⼭地の特性に基づく具体的な検討を進めてきた。
l この⻑年の検討を基に、2019年、東北ILC準備室がKEKと共にまとめたのが「東北ILC施設計画」である。
l これはILC国際設計チームによる加速器施設の仕様に、候補地固有の条件を加味したもので、主に⼟⽊設計に関するものである。
l この「東北ILC施設計画」の技術的成⽴性の評価が、第三者機関として⼟⽊学会に委託された。⼟⽊学会・岩盤⼒学委員会は、オールジャパン
体制として広く国内⼤学の専⾨家を招集した“ILC 施設計画評価⼩委員会”を設置し検討を進めた。
l 2020年3⽉、本委員会は “「東北 ILC 施設計画」は技術的成⽴性を担保しているものと評価，その内容は妥当であると結論する”と評価した。

2021.9.8

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東北ILC施設計画 (2019)
h2ps://7pdc.org/assets/uploads/2020/12/Tohoku_ILC_shisetsu.pdf

8.1 設計諸元

東北ＩＬＣ施設計画9

図 8.1: 主線形加速器トンネル及び転換坑の標準断面図（左図）と支保パターン（右図）（5 章に述べたように，幅 9 m の検討結果に
対し，断面積・トンネル幅に基づいた換算を実施した。
）

東北ＩＬＣ事業推進センター
東北ＩＬＣ事業推進センター

図 9.1: 検出器ホール・周辺トンネル計画図

協 力

検出器ホール・周辺トンネル

59

2020 年 10 月

– 東北 ILC 施設計画 –2020 年 10 月

68

– 東北 ILC 施設計画 –東北ＩＬＣ施設計画

高エネルギー加速器研究機構
協 力

高エネルギー加速器研究機構

Rey.hori/KEK

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)30 / 744. 地下施設
n 加速器トンネルの設計要件
n ⼟⽊⼯事n 加速器トンネル
n 地下へのアクセスおよび設備ホール

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)

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4.1 加速器トンネルの設計要件
4.1.1 基準とするトンネル形状
n 主な加速器トンネル

2007 RDR: ツイントンネル

l 加速器ラインl 電源や冷却⽔系の設備エリア
l 搬⼊路
主線型加速器の⾼周波源やローカル変電所はトンネルに沿って配置する

n 中央の放射線遮蔽壁でトンネルを分ける• ⾼周波試験時の⽴ち⼊りを可能とする• ビーム運転中に放射線から⾼周波源を守る

2013 TDR: 単トンネル（かまぼこ形）

n これらの要求をシンプルに満たすものとして、“かまぼこ型”断⾯が採⽤されている。
n 局所的に側室・空洞を設ける。
これらは次に⽰すトンネル⼯法の NATM ⼯法で可能となり、局所的な断⾯変更にも⽐較的柔軟に対応できる。

2021.9.8

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4.2 ⼟⽊⼯事
ILCのトンネル⼯事 ç ⼭岳トンネルの技術（道路・鉄道トンネル）検出器ホールなど⼤型空洞

国内の
豊富な
実績

ç 地下発電所、⽯油備蓄基地など

道路・鉄道トンネルと異なる背景
n あらかじめ、地質・地形の良いところが選定されている（良質の花崗岩帯）ß ⼯事リスクの低減
n ILC 20km: 約 5 km/⼯区, アクセスポイント毎に地下に向けて⼯事を開始

2021.9.8

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4.2.1 トンネル⼯法
n TBM⼯法

n NATM⼯法

l Tunnel Boring Machine （円形）l 新オーストリアトンネル⼯法

l ⼀般に掘削スピードが速いが、機械が⾼価

l ⽐較的⾃由な断⾯トンネル

l コンクリートシールドを設置しながら進む。

l 発破や掘削機により掘削、吹付けコン
クリートとロックボルトにより地⼭の強度を利⽤してトンネルを保持する。

⽇本でのILC建設にはNATMが最適
l アクセストンネルや⽴坑、検出器ホールおよび設備ホールは、そもそもNATM ⼯法
で掘削される。
l 場所によって加速器トンネルの断⾯を広くしなければならない。
l 花崗岩は固く、TBMの掘削スピードが落ちることが予想されるが、⼯期短縮のために TBM の台数を増やすのはコスト的に難しい。
l NATM の場合、⼯区を最⼩ 2.5 km まで分割できる。⼀⽅、TBM では⼯区を増やすと台数が多くなりすぎる。また、短距離の掘削ではコスト的に⾒合わない
2021.9.8

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4.2.2 ⼯事の⼿順
⼭岳トンネルの施⼯⽅法（NATM）イメージ
トンネル前⾯を削孔、⽕薬を装填

発破して、ズリ搬出
切⽻の崩壊を防ぐため、速やかにコンクリートを吹き付ける

ロックボルトを打ち込み、岩盤と⼀体化

防⽔シートを施した後、覆⼯コンクリートを施⼯
2021.9.8

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4.2.3 湧⽔対策
地下⽔（⾃然湧⽔）量の想定
2018年8⽉18⽇学術会議ILC検討委員会。技術検証分科会の資料より抜粋

北上候補地での湧⽔量は、「⽔⽂l 国内のトンネル⼯事で地質学的な⼿法考察」*
を参考にの実績から、ILC地下ト
ンネルの地下⽔処理は、
およそ
およそ1t/min/kmの湧⽔量を想定して検討さ0.8 t/min/km
れてきました。
と評価して排⽔設計に取り組むこl 北上候補地における⽔ととした。
⽂地質学的な考察では、
およそ0.8t/min/kmと予
実際はこれを⼤きく下回ると考え測されています。
られている。
* 公益財団法⼈ 鉄道総合技術研究所

2021.9.8

2020.02.02 ILC解説セミナー

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参考資料 – 20

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ILC地下構造物の湧⽔処理
l トンネル床板下部に設けた湧⽔排⽔溝
を通してアクセスホールの地下⽔槽に集⽔、ポンプで地上に揚⽔å、定期的に⽔質測定を⾏う。

湧⽔量の仮定およそ 0.8 t/min/km
全体湧⽔量︓30,000 ｔ/dayl 地上に送⽔された地下⽔（湧⽔）は、濁⽔処理した後、⼀部を冷却塔の散⽔として利⽤

26.2km×1,440 ×0.8 = 30,180 t

北上サイトの場合、緻密な花崗岩地帯、降⽔量が少ない
地域、近隣の道路トンネル⼯事での湧⽔が少ないことな
どから、予測より⼤幅に少ないことが想定されている。

地上へ揚⽔

排⽔⽅法の追加案（案1）集⽔トレンチを⼤きくして中央検出器ホール付近まで導⽔（案2）アクセスホールへの送⽔をポンプでリレーする（案3）さらに⾃然排⽔トンネルを設ける

ールへ

ホ
アクセス

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)37 / 74

4.3 加速器トンネル
n 電⼦源
n 陽電⼦源n ダンピングリング
n RTML ビーム輸送路
n 主線型加速器
n BDS 最終収束システム
n 衝突点・検出器ホール
n ビームダンプ

2021.9.8

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4.3.1 電⼦源RTMLn 最終収束系、RTMLと共に、BDSトンネルに収納
電源

ターンアラウンド

電⼦

電⼦

4.3.2 陽電⼦源

側加

・主

陽電
線型

加速

器

最終

収束

ビームダンプ系
最終衝突

n ⼆つの陽電⼦⽣成⽅法を検討中

ピン

BDS

⼦源

速器

ダン

電子源

収束

系

点

陽電
グリ

ング

電⼦

主線

源

型加

速器
ターンアラウンド

陽電

l アンジュレーター⽅式

⼦・

⼦側

加速

器

l 電⼦駆動⽅式

n その戦略に応じて2つの設置パターンを検討している
案1︓BDSトンネルの幅を拡張して収納する
案2︓電⼦駆動⽅式を別トンネルとする

2021.9.8

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4.3.3 ダンピングリング
n 周⻑3.2km。電⼦リング、陽電⼦リングを重ねて設置（2段）
n

将来、陽電⼦リングを追加の可能性（3段）

n アーク部は単トンネル。直線部は中央遮蔽壁で電源室を確保 (300m)

DR直線部

DRアーク部

2021.9.8

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4.3.4 RTML (Ring To Main Linac)
ターンアラウンド

RTML

n ビームをUターンさせる部分に中央遮蔽壁は要らない
n 将来の主線型加速器延⻑に備えるトンネル延⻑部を設け
る。

RTM
L

RTML
床から2.75m（搬⼊路確保）110 m
ビーム調整⽤
⼩型ダンプ側室

75 m

MLトンネル終端部

主線型加速器
2021.9.8

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4.0
m
4.5
m

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4.3.5 主線型加速器

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4.3.6 BDS
l 衝突点の両側
l 電⼦源または陽電⼦源、RTMLと共存 à 幅が⼤きいトンネルl レーザーストレイト
l さらに、途中にビームダンプ空洞がある
l 様々なビーム診断装置、レーザー室など…

RTML
電源

2021.9.8

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電子源

BDS

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4.3.7 衝突点・検出器ホール
2つの検出器（実験グループ）︓ある期間ごとに衝突点に⼊れ替える
検出器ホール︓ビーム運転中でも⽴ち⼊り可能 （加速器部を除く）
12 m

25 m

⽴坑（直径18m）

検出器分轄搬⼊⽤
4000tクレーン

⽴坑（直径10m）

設備配送（電⼒、冷却⽔）作業者エレベーター

133 m

SiD検出器, 重量 8,000t

速器

型加
主線
⼦
陽電

11 m

衝突点
ング

16 m

40 m
器

13 m

加速
線型

主
電⼦

ILD検出器, 重量 15,000t
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アク

セス

グリ
ピン

ダン

トン

ネル

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（参考）LHC CMS実験ホール
（建設期）

⽴坑︓
l 直径 20.5 m
l 同 12 m
l 深さ 100 m

検出器ホール地下100ｍ、幅 27 m, ⾼さ 25 m, ⻑さ 53 m
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（参考）CERN-LHC CMS検出器
l CMS検出器: 15m X 21.6m, 12,500 t
l 分轄して 2,000 t のガントリークレーンで降ろした。
l ILCは 4,000 t クレーンを想定。

15m

CMS検出器（ミューオン検出器部分）
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4.3.8 ビームダンプ

l パワーの⼩さなビームダンプ à ⼩型の遮蔽体 à 側室
l パワーの⼤きなビームダンプ à 厚い遮蔽体 à ⼤型のクレーン à ⼤きな空洞
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主ビームダンプ空洞

主ビームダンプ
n 電⼦・陽電⼦ビームの終着点
n 遮蔽体（~ 5ｍ厚） à ⼤空洞
n ビーム吸収体である⽔循環設備を併設

n 特別な放射線管理区域

ビーム調整⽤
⼩型ビームダンプ側室

2021.9.8

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4.4 地下へのアクセス
実験ホール（地上部）

アクセスステーション（地上部）• ⼊⼝での⽴ち⼊り管理、• ⼊⼝での⽴ち⼊り管理、• 放射線安全上の物品搬出管理• 放射線安全上の物品搬出管理

l ⽴坑（エレベータ）
l アクセストンネル（⾞両可）地下実験ホール（放射線管理区域）• ビーム運転時も⽴ち⼊り可能• 素粒⼦反応検出器2台を期間ごとに出し⼊り
して実験を⾏う。

アクセストンネル（⾞両可）
設備ホール（アクセスホール）• ⽇常点検（ヘリウム冷凍機）、定期点検（その他）• 加速器トンネルの⼊⼝に、放射線管理区域への⼊域管理施設を設置する。

• 常時、作業者が滞在することを想定• 実験中の検出器︓状態維持、電源保守• 待機中の検出器︓保守・⾼度化作業

2021.9.8

加速器トンネル（放射線管理区域）• ビーム運転時は⽴⼊不可

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4.4.1 ⽴坑（衝突実験サイト）
n メイン⽴坑︓検出器を地下に降ろす。直径18m
n ユーティリティー抗︓直径10m
l 地上と地下の設備を繋ぐ。
l 中央変電所で降圧した66kVをILC全域に送る
l 地下へのアクセス（エレベータ、⾮常階段）
n ⽴坑の⻑さ 約70m

ユーティリティー抗検討図

エレベーター

階段（例）CERN LHC CMS⽴坑︓
直径20.5m&12m, 深さ100m

2021.9.8

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4.4.2 アクセストンネル
n 地下への搬⼊路、⾮常時の脱出路
n 最⼤勾配10％n トンネル⻑は地上施設の設置場所に依存する。平均で 1 km 程。
n 地上と地下の設備を結ぶ︓ヘリウム配管、冷却⽔配管、換気ダクト、送電ライン、各種ケーブル
n 将来のヘリウム・コールドボックス移動に備えた⾞両空間を確保

2021.9.8

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4.4.3 設備ホール（アクセスホール）n 地下の加速器設備の拠点。
n ヘリウム冷凍機、冷却⽔・空調、電気設備（サブ変電所）、湧⽔排⽔設備
n 加速器に沿って約 5 km 毎 、全体で 5 箇所。
Utility hall
ヘリウム・ドーム

搬⼊路
主

線

クレーン
18.5 m

アクセストンネル

型

加

速

器

ン

ヘ

ル

運

ム
ウ

リ

ネ

ー
ム

ヘリウム
冷凍機

備

設

ト

ビ

設備ホールまではビーム運転中でも⽴ち⼊りできる。

電

冷却⽔
空調系

転

中
は

系
気

⽴

ち
⼊

り

不

可

。

20 m
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5. 地上施設
n 衝突実験サイト
n アクセスステーションn 中央キャンパス

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5.1 衝突実験サイト
n電⼒会社からの受電、検出器準備、地下設備との連携
中央変電設備(154kVà66kV)

n⾯積は約 100,000 m2

冷却⽔設備
空調設備

コジェネレーションシステム

ヘリウム設備

検出器組⽴て・搬⼊設備
研究棟

検出器準備設備

計算機棟

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5.2 アクセスステーション

n 加速器トンネルへの進⼊路（地下⼟⽊⼯事の始点） n 地下設備と連結した、電気・機械設備を設置
n 加速器に沿って約 5 km 毎 、全体で 5 箇所。各ステーション の⾯積は約 19,000 m2
アクセストンネル

冷却⽔設備

空調設備

ヘリウム設備

搬⼊設備

冷却⽔設備

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5.3 中央キャンパス
⼭間部に造成される衝突実験サイトは、ILC 加速器や検出器を稼働させるための施設を中⼼に構成されている。その広さには限りもあり、別途、“中央キャンパス”を設けることが想定されている。
国際研究拠点としての機能
l ILC の本部・研究棟
l データ解析センター
l 加速器および検出器の研究開発棟
l …
n 場所について“北上サイトにおける中央キャンパスは、仙台・東京へのアクセス利便性を有し、研究・⽣活環境に優れる新幹線沿線の⽴地を強く推奨する” （⽴地評価会議）

n 具体的に進めるには地元⾃治体との協議が必要
n ILC 誘致の様々な判断のもとで進められると期待する

2021.9.8

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6. 設備関係
n 電気設備n 機械設備

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6.1 電気設備

中央変電所

発電機

n 衝突実験サイトの中央変電所で154 kVを受電、66 kVに降圧。
n 地下トンネルで各サブ変電所に
送電

サブ変電所

n ローカル変電所に分配
n 加速器装置・設備
ローカル変電所

250GeV

特⾼ケーブル地下配線(両端は将来の500GeV延伸の場合）

2021.9.8

負荷設備

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ILCの電⼒負荷

Updated power estimate for ILC-250, Dec.2019,https://edmsdirect.desy.de/item/D00000001169675

l 250 GeV
l 500 GeVl R&D : SRF効率改善効果
l Lx2 :
ルミノシティー増強運転

中央キャンパス想定2.7MW
全体マージン 3%
開始時
2021.9.8

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中央変電所

サブ変電所（5ヶ所）
66 kV à 6.6 kV

電⼒会社より受電
154 kV à 66kV

20~30 MVA

110 MVA x2

系

気

電

⽴坑・地下トンネル
コジェネレーション
システム
ク

ア

アクセスステーション（5ヶ所）

2021.9.8

ス

セ

ン

ト

ル

ネ

ローカル変電所（約40ヶ所）
6.6 kV à 400/200/100 V

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2〜3 MVA

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6.2 機械設備
n ヘリウムn 冷却⽔
n 給⽔・排⽔
n 換気・空調

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6.2.1 ヘリウム設備
地上に Heガスタンク

CERN LHC He Tank

地下空洞に He冷凍機

European XFEL He Tank

CERN LHC He冷凍機
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6.2.2 冷却⽔設備

2021.9.8

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6.2.3 給⽔設備

l ⽣活⽤⽔l 冷却塔補給⽔（散⽔）• 1⽇当たりの最⼤使⽤量 9,000 トンを想定• トンネルにおける恒常的な地下湧⽔を利⽤する•••

排⽔設備の設計で想定する湧⽔量 à 0.8 トン/min/km
à ⽇量 23,000 トンに相当
しかしながら北上候補サイトでは、地質が極めて緻密な花崗岩地帯であること、現地の年間降⾬量が少ないこと、また近隣の道路トンネル⼯事の経験では湧⽔が少ないことな
どから、この平均値より⼤幅に少ないことを想定

地域で取⽔可能な複数箇所の地下⽔源から、最寄りのアクセスステーションまで送⽔することを検討

6.2.4 排⽔設備

l RI管理排⽔︓ビームトンネル内で⽣じた排⽔で、放射化の恐れがあるものとして検査を⾏い、安全基準に従って処理する。

l 地下湧⽔排⽔︓トンネル断⾯外周を通り、床下の湧⽔導⽔路を経由してアクセスホールに集め、アクセストンネルから地上に揚⽔する。冷却塔の散⽔に利⽤することを検討。

l ⽣活排⽔︓地上施設での⽣活排⽔、地下施設でのトイレや⼿洗いの排⽔
2021.9.8

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6.2.5 換気設備

2021.9.8

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6.2.6 空調設備
孔内⽔温（℃）n

地下に建設されるトンネルl 周辺岩盤の温度は⾮常に安定
l 北上候補地での地⼭温度は 13.4 ℃
l トンネル内の基準設定温度は 18 ℃ を想定

測定標⾼ (m)n

トンネル内電源の熱l ⼤部分は冷却⽔で取り去る
l ⼀部は空気中に放出され、電源室を温める
l 電源側トンネルに沿って配置するファンコイル
ユニットで除熱するn

トンネル内で達成される温度l 加速器運転によりばらつくが、安定であれば問
題はない。

北上候補地
地下⽔温度測定結果
2021.9.8

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7. 安全対策・環境影響評価
n 放射線
n 地震
n ⽕災
n 停電
n 環境影響評価

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)

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7.1 放射線
⼟⽊的視点での放射線安全対策
n 基本的な考え⽅
n ILC運⽤時︓トンネル躯体や地下⽔の放射化を問題ないレベルに留める
n プロジェクト終了後︓機器を搬出、放射化したものを残さない

n 放射化と遮蔽体
n ビームがぶつかる限られた場所が放射化（ビームダンプ、陽電⼦標的など）
l 設備構造を多重化。コンクリート壁でトンネル外と区切る。

n 局所的に遮蔽体を設置して周辺の放射化を抑える
l ビーム強度 à 遮蔽体の規模 à トンネル／空洞の⼤きさ（遮蔽体は数m厚、鉄やコンクリートのブロック）l 放射線の遮蔽・閉じ込めはトンネル内部の設備（遮蔽体など）が担う。
トンネル・空洞の壁コンクリートは補佐的なもの。

n 加えて、場所により低放射化コンクリートを利⽤する
l コンクリートの放射化︓主たる放射性元素 à Co-60, Na-22, Eu-1522021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)68 / 74

7.2 地震ILC施設に求められる耐震性能の考え⽅
⼟⽊学会提案 / ILC⼟⽊⼯事に関するガイドライン
対象
加速器トンネル

実験ホール

地震動

性能レベル

L1地震動 性能レベルⅠ
無補修で機能維持
L2地震動 性能レベルⅡ
早期に機能が回復
L1地震動 性能レベルⅠ
無補修で機能維持
L2地震動 性能レベルⅡ
早期に機能が回復

適⽤および備考• 避難路となるアクセストンネルが崩壊しない。
• クライオモジュール等の基幹装置に損傷を与える剥落等を防⽌• 実験ホール空洞天井部岩塊の剥落による⼈命と検出器の防護• 岩盤変位による実験機能・性能への致命的な影響防⽌l L1地震動︓従来の耐震設計でも想定されていた地震外⼒にあたり、構造物の使⽤期間中に数回発⽣すると考えられる強さの地震を⽰す。à ILC運⽤20年に数回の地震
l L2地震動︓近傍で発⽣する⼤規模なプレート境界地震（東⽇本⼤震災など）に加えて、兵庫県南部地震時における内陸直下型地震による地震動も対象とした発⽣確率の極めて低い地震動を⽰す。

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)69 / 74地震の振幅は、地上に⽐べ 地下では1/2〜1/4 になる
n 地下では地震に対する尤度が⾼まる。
（独）防災科学技術研究所の強震度観測網 (KIK-net)の地震計データでは、東⽇本⼤震災での地下 100 mの測定は、地表に⽐べて 0.13〜0.29 倍であった。

減衰する

n 同じ深度では花崗岩類の⽅が加速度の減衰が⼤きい

n 地震に対する影響は地表付近が⼤きい。
l アクセストンネル坑⼝付近
⼭岳道路トンネルなどの経験から⼤きな問題は無いと考えるが、地下と地上を繋ぐ設備配管には⼗分な注意をはらう。

江刺地球潮汐観測施設の例
北上⼭地 阿原⼭中腹の延⻑250ｍのトンネルに設置された国⽴天⽂台江刺地球潮汐観
測施設の⽯英ガラス製の⽯英管ひずみ計は、東⽇本⼤震災
でも全く損傷を受けていない。
東⽇本⼤震災で観測された最⼤加速度と地盤
2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)70 / 74

7.3 ⽕災
作業者の避難⼤規模地下施設であるCERN-LHCでの運⽤を参考

ILC での対応（想定）LHC での対応（実績）1)かまぼこ型トンネル+中央遮蔽壁

1)円形トンネルl ⾮⽕災側に退避 à 2⽅向避難の確保

l ⾮⽕災側に退避 à 2⽅向避難l 避難距離: < 2.5 km + アクセストンネル

l 避難距離︓< 3.4 km + ⽴坑100m
加圧避難室 + エレベータ2)空気循環システム

2)空気循環システム

l 空気の流れを⼈の移動速度以下に制御

l 空気の流れを⼈の移動速度以下に制御

l ⽕災時の停⽌

l ⽕災時の停⽌l 超伝導システム運⽤時は携帯型酸素ボンベを義務化

l 超伝導システム運⽤時は携帯型酸素ボン
ベを義務化

加速器側

電源側

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)71 / 74

7.4 停電対策
n ⼤規模加速器施設であるCERN-LHCでの対応策を参考
n ⾮常⽤発電機
n コジェネレーションシステムの検討
常時運⽤しながら、⾮常時の⽴ち上げ不良リスクを避けることも可能

n ⾃然排⽔トンネル案

北上サイトでは標⾼が低い河川へのトンネル湧⽔の排⽔が⾒込める

停電時の対応

停電

30秒程度

蓄電池

制御機器
モニター機器

2021.9.8

3⽇間程度(燃料備蓄）

⾮常⽤発電機

照明、移動機器、
地下⽔排⽔、He回収

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)

復旧

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7.5 環境影響評価の指針
n ILC建設において、地上と地下に⼤規模な⼯事を⾏うため、環境アセス
メントは極めて重要である。
n KEKは、2019-2020年度に、環境アセスメントの外部専⾨家による「ILC
環境アセスメント評価アドバイザリーボード」を ILC 推進準備室の下に設置、環境アセスメントの実施⽅法に関する議論をまとめた。
n 事業計画が固まった段階で⾏う事業実施主体による環境アセスメント(実施段階アセス メント)より早期において、事業実施段階に⾄るまでの意思形成過程(戦略的な段階)の段階で⾏うとされている戦略的環境アセスメントの⼿法を導⼊した環境アセスメントを実施することが円滑かつ適切な計画推進のためには必要であ るとの結論
n 準備研究所期間の前半に戦略的環境アセスメントを実施し、後半で実施段
階アセスメントを⾏い、ILC建設着⼯前の環境アセスメントを完了することが提案されている。
h2ps://www2.kek.jp/ilc/ilc-tsushin/2021/02/08/strategic_environment_assessment_summary/
2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)73 / 74

おわりに
技術設計書(TDR)以降、より具体的なILC施設の設計検討が進んでいる。
国際研究組織による検討の進展に加え、国内での具体的な検討、とりわけ、産学連携での取り組み、候補地組織の活動等による貢献は⼤きい。
ここに関係する⽅々の尽⼒に深く感謝を申し上げます。

2021.9.8

OHO'21 - ILC施設 - 照沼信浩 (KEK)74 / 74