Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEP014

加速器駆動核変換システムのための高繰り返しシンクロトロン
RAPID CYCLE SYNCHROTRON FOR ACCELERATOR DRIVEN TRANSMUTATIONSYSTEM
不破康裕 ∗A) 、栗山靖敏 A) 、上杉智教 A) 、石禎浩 A) 、雨宮尚之 B)
Yasuhiro Fuwa∗ A) , Yasutoshi KuriyamaA) , Tomonori UesugiA) , Yoshihiro IshiA) , Naoyuki AmemiyaB)A)
Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto UniversityB)
Graduate School of Engineering, Kyoto UniversityAbstract
For the practical application of Accelerator Driven System (ADS) that reduces the harmfulness of radioactive waste by
nuclear transmutation, we are studying the development of a compact accelerator using a synchrotron as an accelerator
capable of supplying a stable proton beam to a nuclear reactor. In this research, we aim to realize high efficiency andhigh reliability ring by adopting an alternating current high temperature superconducting magnet and a high repetition
synchrotron applying resonant beam extraction. In this paper, we report the fundamental design of the rapid cycling
synchrotron.

1.

はじめに原子炉の使用済み燃料に含まれる高レベル放射性廃棄物の毒性の低減方法として、廃棄物からに含まれる長寿命マイナーアクチニド (MA) の分離・変換が提案されている [1]。その方法の１つが陽子加速器を用いた加速器駆動未臨界炉 (ADS; Acceraltor DrivenSubcritical reactor) を用いる方法である [2]。この方法
では、加速器からの大電流陽子ビーム未臨界炉心に入射し、炉心内で冷却材と中性子発生ターゲットを兼ねる液体の鉛・ビスマスと陽子ビームの核破砕反応で中性子を発生する。この中性子を用いて MA の核変換と燃料の核分裂を引き起こし熱エネルギーを得る。その熱エネルギーを用いて発電することで陽子加速器の運転で消費される以上の電力を発生し、余剰電力を送電網に供給することもできる。
このような核変換システムにおいて重要な開発項目の１つが、ビーム停止頻度の抑制である。ADS では、炉心が未臨界であるため加速器からのビームが停止すると原子炉中の中性子数が減少し核反応が停止する。その場合に炉心内部の温度が変動するため、その構造物に熱的な負荷が生じる。このような熱ストレスが繰り返し発生することは、構造材の劣化につながる。線形加速器を用いた場合のビーム停止頻度の許容回数が、これまでに運転された線形陽子加速器の運転実績から見積もられている [3]。この研究において、停止時間が５分を超えるビーム停止頻度を現状の 1/35 以下にまで抑制する必要性が示されている。また、ビーム停止の原因の統計において長時間のビーム停止の原因は主に高周波システムのトラブルである。そのため、安定な加速器システムの実現には高周波システムの故障頻度の抑制が最も重要な課題となる。
高周波システムのトラブル低減には個々の構成要素の故障率の低減も重要であるが、根本的な解決法∗ fuwa@rri.kyoto-u.ac.jp

として高周波システムの少ない加速器の採用、すなわち、円形加速器による陽子ビームの生成が有望である。そこで本研究では、信頼性の高い核変換システムとして高繰り返しシンクロトロンを用いることを提案し、その実現を目指している。

2.

核変換用高繰り返しシンクロトロン

高 繰り 返しシ ンク ロト ロン (RCS; Rapid CyclingSynchrotron) はサイクロトロンと比較して加速可能なビームエネルギーが高く 1 GeV を上回るエネルギーのビームを生成可能である。陽子ビームの物質中での単位長さあたりのエネルギー付与量は 1 GeVから 3 GeV の領域で極小値を取り [4]、このエネルギー領域のビームを用いることで ADS システムのビーム窓の熱負荷を軽減することが可能である。また J-PARC [5] では、これまでに 1 MW のビーム出力での運転を達成しており [6]、大電力ビームの生成可能性も技術的に示されている。
繰り返し周波数の増大を実現できれば、より大きなビーム出力を持った高繰り返しシンクロトロンの実現が可能であり、核変換システムの駆動用加速としての利用が期待できる。本研究では、そのような高繰り返しシンクロトロンのプロトタイプを設計し、その実現性可能性検討している。Table 1 に検討しているプロトタイプの基本的なパラメータを示す。ビーム入射エネルギーは線形加速器の短縮のため 100 MeV として、取り出しエネルギーはビーム窓の熱負荷軽減のため 1.5 GeV とした。平均ビーム電流は 1 mA とし、100 Hz の繰り返し周波数でビーム出力 1.5 MW を当初の目標としている。このリングはプロトタイプであるために、その出力が線形加速器の場合に提案されている ADS の要求ビーム出力(30 MW) と比較すると小さいが、複数台の高繰り返しシンクロトロンを用いることで要求出力を達成することができる。また、複数のリングを並列化することで１台のリングがビーム停止しても他のリングでその低下した分のビーム出力を補うことも可能で- 316 -

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Table 1: Fundamental Parameters of the Designed RCS
Injection energy
Extraction Energy
Output Beam Power
Repetition Rate
Acceleration Timeharmonic number100 MeV
1.5 GeV
1.5 MW
100 Hz< 5 ms1あり、システム全体の稼働率を維持する目的でも並列化するメリットは大きい。
これまでに RCS のプロトタイプとして機能結合型・機能分離型のそれぞれの偏向マグネットを採用した２つのラティスを設計している [7]。

Figure 1: Image of RCS operation in time for highrepetition beam acceleration.

3.2

3.

ラティス非線形要素の設計

共鳴ビーム取り出し本研究で検討している RCS では 100 Hz という高い繰り返し周波数で運転するため(Fig. 1 参照)、ビー
3.1 chromaticity 補正
ム取り出しシステムが重要な開発要素となる。周長
機能結合型・機能分離型それぞれのラティスに対 の短いラティスにおいて 100 Hz の繰り返しにキッして６極磁場成分を導入することで chromaticity 補 カーを用いたシステムを用いる場合、キック量の確正を行なった。補正後の chromaticity は鉛直方向は 保に必要な電磁石数・高圧スイッチを含む電源回路0 と設定したが、水平方向の値は有限値 (機能結合 の数が増大する。それに伴いシステムの故障率が増型: -1.25、機能分離型: -0.63) に定めた。このような 大する懸念がある。また、キッカーでビームを取り有限の chromaticity に設定することで、ビーム取り 出した場合周回ビームの時間構造に由来する尖塔出出し時に加速空洞の周波数を変調して、チューン 力のがそのまま炉心に供給される。この時、ビーム窓をコントロールできる。このチューンの変調で共鳴 において衝撃波が発生する懸念がある。そのため、炉の強さを制御でき、共鳴取り出しのビーム広がりの 心のストレスを軽減するために、取り出しビームのコントロールすることができる。機能結合型と機能 パルス形状を成形しピーク強度をする必要がある。
分離型とで、それぞれの特徴に応じて異なる方法で 本研究ではキッカーを用いない信頼性の高いビームchromaticity 補正用の６極成分を導入した。機能結合 取り出しシステムとして、共鳴を用いたビーム取り型では、ビームの偏向・集束を担う磁場成分にさら 出しシステムを提案している。に６極成分を重畳した。この方法を採用することで、共鳴ビーム取り出しは従来、素粒子・原子核実験機能結合型主偏向磁石のみでラティスを構成でき、 のために用いられてきた遅い取り出しと同様のもの
補正磁石や入射・取り出し以外のマグネットを１系 で、６極磁石などの多極磁石で非線形共鳴を誘起し統の電源で励磁可能であるという利点がある。一方 共鳴によるビームの広がりを用いて複数のターンをで、機能分離型では、アーク部に６極電磁石を配置 かけて (通常は、数秒の時間をかけて) １つのバンチすることで chromaticity を補正した。
からビームを取り出す方法である。ただし、Fig. 1 にまた、chromaticity 補正後のラティスに対してビー 示したように 100 Hz で繰り返されるビームを取り出ムトラッキングを行い dynamic aperture の行なった すには、ビームを 1 ms 程度 (数 100 turn の周回) の時
結果、機能結合型・機能分離型の両ラティスにおい 間で取り出す必要があるため、共鳴を強く励起するて十分な dynamyc aperture が確保可能であることが 必要がある。６極磁石により誘起される３次共鳴の確認された。この dynamic aperture の評価において機 driving term はつぎのように書かれる。
能結合型のラティスの dynamic aperture が、機能分離√ I2型に対して３倍以上大きいことという結果が得られG3,0,l =βx (s)3/2 S(s)ei[3χx (s)−(3νx −l)] ds (1)た。この違いは機能結合型偏向マグネットに６極成24π分を重畳したことで、６極磁場成分のピーク強度が抑制されたことに起因していると考えられる。大き ここで、βx (s)、χx (s) はそれぞれラティスの水平方向な dynamic aperture が確保可能であるという機能結合 のベータトロン振動の振幅関数と位相関数である。
型ラティスの特徴は共鳴を用いてビームを取り出す また、S(s) はラティスにおける６極磁場の強度分布、場合に、使用可能な６極成分のパラメータ領域を広 νx は水平方向のチューンである。l は、共鳴のモーく確保でき、運転時の利点となる。一方で、磁極の飽 ドを表す整数である。このことから、βx (s) の値が大和の影響下でラティスに最適な６極磁場成分を発生 きな領域に６極磁石を設置し、その強度を 1 ms の時するためには入念な磁気回路設計が必要になり、そ 間で変調させることで取り出しに必要な共鳴を励起の実現が今後の課題となる。
可能である事がわかる。また、3.1 に記述したように- 317 -

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chromaticity の値を有限値に設定する事で加速空洞の周波数を変調する事でチューンを変調する事でも、共鳴の強度を制御する事ができる。この共鳴ビーム取り出しに用いるリングの構成要素の概略を Fig. 2に示す。
この図のように、リング中の４つの長直線部のうちの２つに加速空洞を設置し、残る２つの直線部に共鳴励起用６極磁石を設置する。共鳴により広がったビームはセプタムマグネットを用いる事で周回ビームと取り出しビームに弁別される。この時のビームロスを低減するため、セプタムマグネットにはビーム弁別位置に物理的な構造物を持たないマスレスセプタムマグネットの採用を検討している。この図で示すような位置に厚さ 30 cm の６極磁石を配置したラティスにおいてビームトラッキングを行なった結果、６極磁石が 1 T/m2 の磁場を 1 ms 以内に励磁可能であれば、共鳴を用いたビーム取り出しが実現可能であるという結果が得られた。このような性能を持ったパルス６極磁石のとマスレスセプタムの設計が今後の課題となる。

タットの設計が今後の重要な開発要素となる。

5.

まとめと今後の展望

信頼性が高くかつエネルギー効率の高い加速器駆動核変換システムの実現のため、次世代型高繰り返しシンクロトンを設計している。これまでにラティスの基本設計、ビーム取り出しに用いる非線形光学系の設計が終了している。今後は、具体的なマグネットの形状を設計することでシステムの概念設計の確立を目指している。

謝辞
Work supported by the Ministry of Education, Culture,Sports, Science and Technology under the Innovative Nuclear Research and Development Program. The authors acknowledge Dr. K. Tsujimoto, Dr. K. Nishihara and Dr. T.
Sugawara for their fruitful comments for ADS drivers. We
are also grateful to Dr. H. Kitaguchi and Dr. A. Matsumoto
for their valuable advise on superconducting technology.

参考文献

Figure 2: Image of RCS operation in time for highrepetition beam acceleration.

4.

高温交流超伝導技術を用いた偏向磁石の損失低減[1] T. Takizuka et al., JAERI R&D on accelerator-based transmutation under OMEGA program, AIP COnference Proceedings
346, 64 (1995).
[2] K. Tsujimoto et al., Neutronics Design for Lead-Bismuth
Cooled Accelerator-Driven System for Transmutation of Minor Actinide, J. Nucl. Sci. Technol., 41, 1, 21-36 (2004).
[3] H. Takei et al., Estimation of acceptable beam-trip frequencies of accelerators for accelerator-driven systems and comparison with existing performance data, J. Nucl. Sci. Technol.,49, 4, pp. 384-397 (2012).
[4] C. Patrignani et al. (Particle Data Group), Chapter 34, Chin.
Phys. C, 40, 100001 (2016) and 2017 update.
[5] High-Intensity Proton Accelerator Project Team, J-PARC,
JAERI Report No. JAERI-Tech 2003-044.
[6] H.Hotchi et al., Achievement of a low-loss 1-MW beam operation in the 3-GeV rapid cycling synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex, Phys. Rev. Accel. Beams
20, 060402 (2017).
[7] Y. Fuwa et al., WEP023, Proceedings of the 14th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Sapporo,
Japan, Aug. 1-3, 2017.
[8] T. Sogabe et al., AC Loss Characteristics in REBCO Coil Assemblies With Different Geometries and Conductors, IEEE
Trans. Appl. Supercond., vol. 28, no. 3, 4700105 (2018).

100 Hz で励磁する主偏向マグネットにおいて電力損失を低減するため、コイルに高温交流超伝導線材を用いることを検討している。高温交流超伝導コイ
ル内部では、ジュール損失が発生しないためコイル内部での損失を大幅に低減できる。一方で、交流で磁場を励磁する場合、線材内部にピン留めされる磁束が移動するためエネルギー損失が発生する。この損失は交流損失と呼ばれており、その低減が重要となる。交流損失の大きさはコイル部に発生する磁場の強度とコイルと磁場が鎖交する角度に依存することが明らかとなっている [8]。そのため、その損失を低減するための磁極形状、コイル配置、クライオス- 318 -