原⼦⼒システム研究開発事業
2021年3⽉17⽇
Webex

令和2年度成果報告会（平成28年度−令和元年度実施）
交流⾼温超伝導マグネットと共鳴ビーム取出しを応⽤した加速器駆動核変換システム⽤⾰新的円形加速器の先導研究開発
委託先：京都⼤学研究代表者：⾬宮 尚之（⼤学院⼯学研究科）

ADS早期実現に対する社会的ニーズと本研究の⻑期的⽬標
ADSは、使⽤済み燃料に由来するマイナーアクチノイドやプルトニウムを安定核や短寿命核に変換可能
使⽤済み燃料からの放射性廃棄物の処分と、プルトニウムの管理に資する技術
将来の原⼦⼒発電量の多寡によらず、社会のニーズは極めて⾼い
⼤型ADSの検討が先⾏しているが、⼤強度線形加速器の開発に要する期間、実証炉建設という開発段階の必要性から、早期実⽤化は困難

放射性廃棄物処分・プルトニウム問題の先送りは、社会的に許されない状況
技術実現性と安全性に優れたコンパクトADS（C-ADS）を2040年ころに社会実装

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

2研究⽬標と全体研究計画

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

3ADS実現に向けての技術課題と設定した研究⽬標
原子炉工学分野の技術課題•液体金属ターゲット（Pb-Bi）•ビーム取出し窓•原子炉構造物の熱疲労

加速器工学分野の技術課題【線形加速器の課題】• 広大な敷地面積（50 m  600 m）• ビーム停止による安定なビーム供給の阻害←多数の高周波加速装置を用いるため【円形加速器の課題】•大きな消費電力←ビーム偏向用マグネット

研究⽬的： 核変換により放射性廃棄物の有害度を低減するADSの実⽤化に向けて、⼩型・低消費電⼒で、安定した陽⼦ビームを原⼦炉に供給できる⾰新的円形加速器の実現を⽬指し、そのプロトタイプ開発の⾒通しを確⽴
研究⽬標： 1.5 MW（ビームエネルギー1.5 GeV、ビーム電流1 mA）、消費電⼒5.0 MWのプロトタイプADS⽤円形陽⼦加速器の実現⾒通し確⽴

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

4ADS⽤陽⼦ビーム供給源としての各種加速器の⽐較利点• ⾼エネルギー
線形加速器 • ⼤電流• ビームを曲げるためのマグネットが不要

⽋点• 敷地⾯積⼤（~ 600 m）• ⾼周波加速装置多→ ビーム停⽌の頻度が⾼くなり、ビームの安定供給の点で信頼性低下

サイクロ
トロン

• ⼤電流（> 1 mA）• コンパクト• ⾼周波加速装置少• ⾼エネルギー化が困難• ビームを曲げて周回させるマグネットの消費電⼒低減のための超伝導化が容易

シンクロ
トロン

• ⾼エネルギー（> 1GeV）• コンパクト• ⾼周波加速装置少• ⼤電流化が困難• ビームを曲げて周回させるマグネットの消費電⼒低減のための超伝導化が容易

⾼繰り返し • ⾼エネルギー（> 1 GeV）
• ビームを曲げて周回させるマグネット
シンクロ • ⼤電流（> 1 mA）の消費電⼒低減のための超伝導化が、交流運転のため困難• コンパクト（20 m  20 m）
トロン• ビーム取り出しの難しさ（RCS） • ⾼周波加速装置少 原⼦⼒システム研究開発事業 令和3年度成果報告会
2021年3⽉17⽇
5⾼繰り返しシンクロトロン（RCS）への優位性と課題と解決法
1. 円形加速器の⼀種であるRCS（⾼繰り返しシンクロトロン）に着⽬• ビームの安定供給（⾼信頼化）が可能 ・・・線形加速器に対する優位性• ⼩型化が可能
・・・線形加速器に対する優位性• ⾼エネルギー・⼤電流が同時実現可能 ・・・サイクロトロンに対する優位性
2. RCSの課題と解決のアプローチ ・・・主に線形加速器と⽐較して• 消費電⼒⼤・・・マグネット⾼温超伝導化• ビーム取出しの難しさ ・・・共鳴ビーム取出しの適⽤原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

6低温超伝導・⾼温超伝導の⽐較：⾼温超伝導に着⽬する理由
代表的な超伝導線
運転温度
冷却装置の効率
交流運転の実現性

低温超伝導マグネット

⾼温超伝導マグネット

NbTi線

REBCO線

4.2 K（液体ヘリウム冷却）

65 ~ 77 K（液体窒素冷却）

0.1 ~ 0.2%

5 ~ 10%冷却効率が低いため、交流運転に伴って発⽣する交流損失による発熱の除熱 交流損失の除熱は合理的な消費電⼒で可能が困難→ 交流超伝導マグネットは実現可能→ 低温超伝導での交流超伝導マグネットは⾮現実的

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

7課題解決を⽬指した全体研究計画と全体⽬標
交流⾼磁界を低消費電⼒で発⽣可能な⾼温超伝導ﾏｸﾞﾈｯﾄの研究開発① 臨界電流特性の定式化（H28）② 交流損失評価技術の構築（H28-H29）

低加速消費電⼒・⾼ビーム出⼒加速器システムの研究開発① ビーム光学系の基本設計（H28-H31）② ビーム加速シナリオの詳細検討（H28-H29）③ 低交流損失⾼温超伝導マグネットの設計（H30-H31）

⾼繰り返し運転共鳴ビーム取出し装置の研究開発① 共鳴ビーム取出しの概念検討（H28）② 共鳴励起⽤多極マグネットの基本設計（H28-H29）③ セプタムマグネットの基本設
計（H30-H31）

全体⽬標：ビーム電⼒1.5 MW（ビームエネルギー1.5 GeV、ビーム電流1 mA）、消費電⼒5 MWのプロトタイプADS⽤円形陽⼦加速器システムの実現⾒通し確⽴
原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

8

研究の全体像と要素技術⽬標

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

9

研究成果

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

10交流⾼磁界を低消費電⼒で発⽣可能な⾼温超伝導マグネットの研究開発 (1)⾼温超伝導コイルと鉄ヨークから構成される
交流⾼温超伝導マグネット

量⼦化して超伝導線に侵⼊した磁束が動くことによる「交流損失」• 交流⾼温超伝導マグネットの低消費電⼒設計を⾏うため、超伝導線の⾮線形導電特性と鉄ヨークの⾮線形磁気特性を考慮した数値解析⼿法を開発• 超伝導コイルの交流損失と鉄ヨークの鉄損を最⼩化するために、超伝導コイル・鉄ヨークの形状を最適化
原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

11交流⾼磁界を低消費電⼒で発⽣可能な⾼温超伝導マグネットの研究開発 (2)概念設計した⾼温超伝導マグネットの諸元
マグネットの磁極⻑さ

1 m or 2 m

ケーブル

Roebelケーブル

コイル形状

積層変形レーストラックコイル

アンペアターン

74445.7 A（最⼤値）

周波数100 Hz

コイル運転温度

65 K

コイル/鉄ヨーク消費電⼒（加速器1基あたり）

79 kW / 250 kW• 銅コイルを⾼温超伝導コイルに置き換えることにより、コイル消費電⼒を740 kWから79 kWに低減• コイルの⾼温超伝導化に伴い、鉄ヨークが⼩型化でき、鉄ヨーク消費電⼒を350 kWから250 kWに低減
原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

12低加速消費電⼒・⾼ビーム出⼒加速器システムの研究開発 (1)• 機能分離型マグネットを使った加速器と機能結合型マグネットを使った加速器の設計検討を実施• 消費電⼒・ビームの安定性の観点から、マグネット⻑さが1 mと2 mの機能結合型マグネットを組み合わせた加速器を標準設計として採⽤機能分離型マグネットを使った加速器
原⼦⼒システム研究開発事業

機能結合型マグネットを使った加速器
令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

13低加速消費電⼒・⾼ビーム出⼒加速器システムの研究開発 (2)• 「低交流損失⾼温超伝導マグネットの設計」との間でフィードバックを繰り返し、最適化されたマグネットの磁界分布を⽤いてビーム安定性を評価• 機能結合型マグネットを使った、ビームエネルギー1.5 GeV、ビーム電流1 mAの⾼繰り返しシンクロトロンの概念設計に成功設計された加速器の基本パラメータ

原⼦⼒システム研究開発事業

曲率半径5.36 m周⻑

68.9 m

マグネットの台数

20

マグネットの⻑さ

1 m (8台)/2 m (12台)

⻑直線部の⻑さ7.625 m

設置⾯積

20 m  20 m

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

14⾼繰り返し運転共鳴ビーム取出し装置の研究開発 (1)• 共鳴ビーム取出しの概念検討と、ビーム取出しに必要なセプタムマグネットの基本設計を実施• 時間的に変化する各種マグネット及び⾼周波加速装置の周波数及び電圧パターンを反映させたビームシミュレーションを実施

共鳴によるビーム取出しの概念図
取出し部の構造
原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

15⾼繰り返し運転共鳴ビーム取出し装置の研究開発 (2)• 共鳴ビーム取出しに必要なセプタムマグネットを設計• ⻑期連続運転でのビーム安定性の確保とビーム窓熱負荷軽減が可能である、セプタムマグネットを⽤いた共鳴ビーム取出しが可能であることを確認

セプタムマグネットの磁界分布
共鳴ビーム取出し時のビームシミュレーション
原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

16

研究効果
• ⼩型・低消費電⼒で、安定した陽⼦ビームを原⼦炉に供給できるADS⽤⾰新的円形加速器のフィージビリティを⽰し、• 表に⽰すような、使⽤済み燃料の有害度低減の⾒通しを⽴てた。
将来のADSによるマイナーアクチノイドの処理の⾒通し加速器のビームパワー

1.5 MW

1.5 MW

加速器の並列数13~7

原⼦炉熱出⼒40 MW

200 ~ 400 MW

マイナーアクチノイドの年間処理量

2 kg

10 ~ 20 kg

C-ADS
原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

17今後の展開に向けて：C-ADSの提案• 本研究開発と並⾏して、京⼤、原⼦⼒機構、物材機構の研究者で、2017年2⽉から21回にわたり、「ADS・円形加速器・超伝導に関する勉強会」を開催し、CADS（コンパクトADS）というコンパクトなADS概念を提案• C-ADS：現状技術からの技術ギャップが⼩さく、早期実現が可能
プロトタイプC-ADSの諸元
熱出⼒
200 ~ 400 MW
ビームエネルギー 1.5 GeV
RCS1基あたり1 mA
ビーム電流
RCS並列基数
3~7
ビーム電流
3 ~ 7 mA
ビームパワー*
4.5 ~ 10.5 MW

交流⾼温超伝導マグネット

蒸気ターゲット

原⼦⼒システム研究開発事業

⽔電⼒
タービン
（発電）

未臨界炉

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

18

C-ADS開発のロードマップ
2020

西暦

2025

2030

大型ADSのR&D

大規模ﾀｰｹﾞｯﾄ施設建設

原子炉ﾌﾟﾗﾝﾄ用解析
手法開発・概念設計

2040▼コールドターゲット実証

大型ADS設計、ADS核データ検証
MA燃料･材料・鉛ビスマス液体金属開発

原子炉
プラント

2035

▼施設完成
運転

▼ホットターゲット実証▼原子炉部基本設計
原子炉部基本設計▼ビーム供給実証

高信頼性ビーム供給技術の開発

加速器
プラント

ADS
プラント

本研究課題

ビーム供給試験
マグネット ▼加速実証
ビーム試験

ビーム時間構造最適化
プロトタイプ
マグネット開発

マグネット
実現見通し

マグネット基
盤技術開発

ﾋﾞｰﾑ取出し法検討
加速器光学設計

加速器概念設計

加速器基本設計

概念設計

基本設計

▼マグネット実証▼加速器基本設計

詳細設計

性能評価/社会影響評価
原⼦⼒システム研究開発事業▼実装判断▼サイト選定
許認可

令和3年度成果報告会

建設

運転
2021年3⽉17⽇

19

まとめ
• ⾼温超伝導マグネットと共鳴ビーム取出しを応⽤することにより、交流運転が必要で超伝導化によるマグネット消費電⼒低減が困難であり、⻑期連続運転で安定したビーム取出しが困難であるという、⾼繰り返しシンクロトロンの⽋点を克服できることを解明• 従来検討されてきた線形加速器に⽐較し、⼩型でビームの安定供給が可能な、ADS⽤⾼繰り返しシンクロトロンの概念設計を提⽰することに成功• 概念設計したRCSの並列利⽤に基づいた、技術的実現性が⾼く安全性に優れたC-ADSを提案

ビームエネルギー
ビーム電流
ビームパワー
繰り返し周波数
設置⾯積
消費電⼒

1.5 GeV
1 mA
1.5 MW
100 Hz
20 m  20 m
4.1 MW

原⼦⼒システム研究開発事業

令和3年度成果報告会

2021年3⽉17⽇

20