2012, DEC.
No.

297­­

CONTENTS
レーザーコンプトン散乱ガンマ線によるヨウ素129の核変換システム
高出力低温冷却Yb:YAG
全反射アクティブミラーレーザーの開発【光と蔭】夢みて行い考えて祈る【表紙図】スーパーICALEO2012国際会議報告
空洞を用いたコン主な学会等報告予定

プトン散乱ガンマ線による巨大核共鳴（γ,n）核変換

レーザーコンプトン散乱ガンマ線による
ヨウ素129の核変換システム
今崎一夫、李 大治
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所 宮本修治、
望月孝晏、堀川 賢
レーザー技術総合研究所 所長 井澤靖和
レーザーエネルギー研究チーム■はじめに原子炉で発生した放射性廃棄物の地層処分において、長寿命核種の処理･ 処分方法の確立は重要な課題の一つとなっている。なかでもヨウ素129は、半減期が 1570万年と非常に長く、バリア材への吸着性能が低いため、地中を移行しやすい性質を持つ。このような核種を核変換処理し無害化できれば、放射性廃棄物処理･処分の安全性及び経済性の向上に有効な手段となる。
レーザーコンプトン散乱γ線を利用した核変換は超長寿命核種を無害化する有用な技術の一つとして期待でき、その可能性について研究を進めてきた。兵庫県立大学のNew SUBARU電子蓄積リングを用いてレーザーコンプトン散乱γ線の発生実験を実施し、発生したγ線を用いてヨウ素127やヨウ素129などの核変換を実証した。また、実験と並行してγ線によるヨウ素129核変換システムの検討を行ってきた。
（γ , n）反応で発生する中性子による 2次核反応を有効に利用して、ヨウ素以外の超長寿命核種をも同時に核変換できれば、システム効率の改善が期待できる。

■原理

レーザーコンプトン散乱ガンマ線による核変換の原理を表紙図に示す。線幅の狭いレーザー光を高反射率のミラーで構成されるスーパー空洞に閉じ込め、空洞内でレーザー光の強度を 10 4 〜 10 5 倍に増倍する。空洞内に電子ビームを入射し、高輝度で指向性のよいコンプトン散乱ガンマ線を発生させる。γ 線源から 10m程度離れた位置にターゲットとなる長寿命核種（ヨウ素129など）をおいて、（γ , n）反応により短寿命核種あるいは安定核種に核変換する。レーザーの波長が 1 μm、電子ビームのエネルギーが 1 GeV程度のとき、発生するガンマ線のエネルギーは 最大〜 17 MeVとなるので、巨大核共鳴を利用して比較的高い効率で核変換が可能と期待される。

■核変換実験

レーザーコンプトン散乱ガンマ線を用いて核変換実験を行った。まず最初に、金Au-179をターゲットに用いて、ガンマ線による核変換実証実験を実施した。長さ5cm、直径5mmと 10 mmの 2種類のターゲットに対し、8時間の照射を行った。Au-197は（γ, n）反応でAu-196に核変換される。Au-196は不安定で、主として 355.73
k e Vのガンマ線を放出してP t -196に崩壊する。崩壊に伴うガンマ線をNaI (Tl)検出器で検出し、Au-197の核変換を確認した。ターゲット直径の差による崩壊ガン
マ線光子数の比は、理論的に予測される比とほぼ一致した。
次に、非放射性のヨウ素I -127の核変換実験を行った。NaIをターゲットに用いた。I-127は（γ, n）反応でI-126に核変換され、13日の特性時間で崩壊して最終的に安定核X e -126とT e -126を生成する。I -126の崩壊に伴う 388 keVと 666 keVのガンマ線とその減衰特性を測定し、ヨウ素I-127の核変換を確認した。
最後に、放射性ヨウ素I -129の核変換実験を行った。
また、I -129の核反応断面積を測定し、I -127のそれと比較した。ターゲットにはP d I2 密封線源を用いた。電子ビームエネルギーを変えてγ 線エネルギーを調節し、（γ, n）反応で生成されるI-128からの崩壊γ線（443

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k e V）を計測して、断面積を求めた。I -129の（γ , n）反応断面積は、γ線エネルギー 15.9 MeVで最大となり、220 mbarn、半値半幅2.55 MeVとなった。直線偏光と円偏光のγ線でほとんど差はなく、I-127の反応断面積とも大きな違いは見られない、ことなどがあきらかとなった。

■ヨウ素129核変換システムの検討

上に述べてきた実験結果を元にして、モンテカルロシミュレーション解析により、原子炉から排出されるヨウ素I-129核変換・消滅処理システムについて検討した。ヨウ素I -129だけをターゲットとしたとき、核変換効率（ = 核変換核種数/入射γ線光子数）は 〜 1%程度に留まると予測されるため、（γ , n）反応で発生する中性子を有効利用してヨウ素以外の長半減期の放射性廃棄物も核変換処理できるシステムの可能性を考えた。
ターゲットは同軸の多層構造で、中心においたヨウ素I-129の（γ, n）反応で発生する高速中性子によりその外側のネプツニウムN pやアメリシウムA mの核分裂を誘起して中性子を増倍する。増倍された中性子を水により熱化し、最外殻のヨウ素I-129やテクネチウムTc-99を(n, γ)反応で更に核変換するというものである。
各層表面での中性子エネルギー分布やターゲット内での核変換効率を計算した結果、核変換効率はI -129で2 %、T c -99で 9 %に向上した。このようにI -129の（γ ,n）反応で発生する高速中性子による 2次核反応を利用すれば、I-129とTc-99の核変換処理だけでなく、TRUのN p -237やA m -243などの核変換も可能となることがわかった。システムの検討はまだ初期段階にあり、ターゲット部の詳細な構造設計、熱設計、排熱解析とエネルギー回収などとともに、エネルギー回収型ライナックやレーザー部の検討、さらには経済的成立性に関する検討などが必要である。

TOPICS

高出力低温冷却Yb:YAG 全反射アクティブミラーレーザーの開発 —発振出力特性—■加工用高出力光源を目指してレーザー技術総合研究所は大阪大学レーザーエネル
ギー学研究センター、三菱重工業株式会社と共同で、加工産業用高出力レーザーの開発を行ってきた。レー
ザー試料は次世代大出力レーザー材料として期待されている低温冷却Yb:YAGであり、その形状は 1 mm以下のディスクである。裏面を液体窒素で直接冷却しており、YAG—液体窒素面での全反射を利用する独自の手法(TRAM: Total-Reflection Active-Mirror)で開発を行っている（Laser Cross No. 254）。2009年に 300W級の発振出力（横多モード）を高効率で達成しており、以降本方式の基礎データ収集を行ってきた（N o . 266 ,287）。
今後は増幅器構成による高品質化を図る予定であり、この際に本方式の増幅計算による出力予測が必須となる。低温冷却Yb:YAGの場合、温度が 77Kから 150Kまで増加するとレーザー利得に寄与する誘導放出断面積が半分程度になる。また100K以上ではレーザー光の再吸収による損失が増加する。本稿ではこれらの効果を含めた簡易モデルを提案し、実験結果と比較した。

古瀬裕章

レーザープロセス研究チーム
ルが必要となる。このような理由より、我々はYb:YAGの温度を実験から評価した。温度評価方法は蛍光スペクトルの形状変化を利用するものであり、レーザー波長近辺の増幅に寄与しない波長ピーク（およびバレー）の温度依存性を利用した。
図1にYb:YAG厚0.6 mmのTRAM試料に、最大励起パワーC W 500 Wを励起スポット径2 .4、4、6 m mで照射した時の温度評価値を示す。励起径2.4mmの場合、励起強度9 kW/cm2（= 400W）の時200 K以上に温度上昇している可能性がある。また同一の励起強度では励起径が小さい方が温度上昇値が低い傾向にある。これは熱伝達係数や冷却機構の違いによるものと考えられる。Y b : Y A G温度と励起条件の関係に関しては、現在有限要素法による解析を進めている。

■Yb:YAGの温度上昇

出力計算にはY b : Y A G 温度を知る必要がある。現在の実験条件では液体窒素を撹拌しておらず、全反射面の沸騰状態が励起条件で変化する問題がある。つまり熱伝達係数が励起条件で一定ではないため、Y b : Y A G 温度を定量的に見積もるためには複雑な計算モデ2【図1】Yb:YAG温度評価値と励起強度の関係【図2】発振出力特性

■TRAMの発振出力特性

図2にスポット径2 .4 m mでの発振出力特性を示す。
発振器には出力ミラー 65％を使用した。〇が実験結果を示しており、励起パワー 300W程度から出力が飽和することがわかる。一方赤線は誘導放出断面積、再吸収損失の効果を含んだ計算結果を示している。計算には図1で示したY b : Y A G温度を用いた。図2より実験結果と計算結果が非常に良く合うことがわかる。スポット径4 mm、6 mmの結果に関しても良く一致しており、これは低温領域におけるTRAM方式の増幅計算手法が確立できたことを意味する。今後はキロワット出力を目指した増幅実験を行い、計算と比較する予定である。
増幅器構成の場合、A S Eや寄生発振の効果、また励起体積内の温度分布や利得分布も詳細に考慮する必要があると考えている。それぞれ詳細に調査し、高品質光源へ着実に進みたいと考えている。
※本稿の詳細は、Optics Express（フリージャーナル）20号19巻21739頁に記載されています。

REPORTI CALEO2012国際会議報告◆ICALEO2012開催される

去 る 9月24〜27日、 米 ア ナ ハ イ ム で、 レ ー ザ ー 加

主席研究員

藤田雅之

工関連の国際会議であるI C A L E O2012 (31 t h e I n t .
Congress on Applications of Laser & Electro-

夢みて行い考えて祈る
これは元大阪大学総長をつとめた山村雄一教授の言葉である。先生は阪……188

大医学部卒業後、刀根山病院に勤められ、海軍軍医としてラバウルに派遣され、その後駆逐艦の軍医長などを経て、つぶさに太平洋戦争激戦の第一線を体験された。人格・識見ともに優秀な戦闘機乗員が次々と姿を消す現実に人生の極限を見てこられた。戦後九州大学教授を経て阪大に復帰され、その先見性と抜群の統率力に加え、免疫学の先駆者としてすぐれた業績を上げると共に幾多の立派な弟子を見事に育てられた。
大阪大学レーザー核融合研究センターの立ち上げ時、直接大学総長として色々とご指導に与った。天の時、地の利、人の和の格言も先生からの伝承である。レーザー核融合は人類が求める最終の新エネルギーである。この夢にとりつかれた 7人の侍が志を一つにし、多くの同志とともにILEの建設、研究、開発に心身を捧げて従事した。この夢追い人生を支えるのは使命感である。山村先生はその活動を了とし、強く支持され、激励を賜った。
今年レーザー核融合研究センターは創立40周年を迎える。レーザー核融合研究は初めからきわめて順調に発展し、国際的評価も高いものがあった。時代が移り、人が替わり、レーザー核融合研究センターはレーザーエネルギー学研究センターに改組になり、より広い研究目標を展開している。その後かつてのようには核融合研究が進まぬ時もあった。しかし社会は人類の新しいエネルギーを求めて止まない時代に突入している。研究者の諸君は初心に立ち帰り、改めて核融合の夢に未来を賭ける覚悟が望まれる。まさに天の時の到来である。その昔、我々が熱唱したセンター歌「歌え千里」が再びこだまする日を待望している。
「千里千里千里

千里の炎大阪千里

千里の風の一走り

韋駄天走り

地球の知恵の一つかみ

人ありここに知恵ありわれら

若木の枝に若葉のひかり

若木の枝に若葉のほつえ

千里

千里千里」

竹中郁

川澄健一

作詞作曲

歌詞にはレーザーを入れず、音程は歌いやすいメロディーをと、特にお願いして作って頂いた「センター
勝利のうた」である。
夢みて行い考えて祈る心境になりたいものだ。

【名誉所長】
3

O p t i c s )が開催された。参加者は 450名程度（うち米154、独72、英17、日本27、中国27）で、溶接、切断等の熱 加 工 を 中 心 と し たL a s e r M a t e r i a l P r o c e s s i n g
C o n f e r e n c e ( L M P )、微細加工を中心としたL a s e r
Microprocessing Conference (LMF)、ナノテクに関連したNanomanufacturing Conference (Nano)から構成されていた。会議議長は2年続けてパラダイムレーザーリサーチの鷲尾さんが務められた。

◆CFRPのレーザー加工

CFRPのレーザー加工関連の発表は全体で 10件（独：6、仏：2、日：1、英：1）であった。ICALEOでは 2008
年に 1件、2009年に 0件、2010年に 7件、2011年に 6件とここ 2〜3年でC F R Pのレーザー加工の発表件数が増加してきている。今回初めて“Processing of CFRP”と題した 8件の講演をまとめたセッションが設けられた（ただし、2件はガラス繊維複合材のレーザー加工であった）。
発 表 機 関 は、 ド レ ス デ ン のI W S、 ハ ノ ー バ ー のL Z H 、独E r l a n g e nのバイエルンレーザーセンター、S t u t t g a r t 大学のI F S W、T R U M P F 社、フランスのCNRS、ALPHaNOV社、イギリスのManchester大学、日本のレーザー総研であった。

◆CFRPへの熱影響を避けるには最近の動向として、レーザー波長やパルス繰り返し周波数、掃引速度等のパラメーター範囲を広げて熱影響層を最小にするための指針を得る研究が進んでいるといった印象を受けた。これまでU Vナノ秒レーザー
でC F R Pを加工していたL Z Hは赤外ナノ秒レーザーやピコ秒レーザーも使って熱影響層の発生を比較していた。また、多重掃引で切断する際に掃引毎に 20ms程度の休憩（冷却時間）を設けることで熱影響を抑えることができると報告していた。
I F S Wはピコ秒レーザーのパルスエネルギーと繰り返し周波数を変化させ、試料に熱影響が発生する様子を高速度カメラで時間分解して観察していた。同じ入熱量（パルスエネルギー×パルス数）でも繰り返し周波数が違う（即ち、入熱レートが違う）と熱影響が異なってくることを実験的、理論的に解析している。パルス間の冷却時間が長い（パルス繰り返し周波数が低い）と熱影響が抑制されることが確認された。これはL Z Hの報告と一致しており、試料照射の時間的工夫が加工のノウハウとなるようである。シングルショットの加工と比較すると、（ パルスエネルギーに依存するが）繰り返し 40kHzでは大差が無く 80kHzでは熱の蓄積が生じるとのことであった。

◆8 mm 厚CFRPをps、fsレーザーで加工

マンチェスター大学のL i n L iから、E d g e W a v e 社
製10ps/10MHz/400Wのレーザーで 8mm厚のCFRPを加工した報告があった。掃引速度2m/s、平均パワー100Wで直径6m mの穴開けに成功し、熱影響がほとんど見られない。ただし、加工時間は約20分とのことであった。100Wで実験した背景には掃引速度の限界があるようである。
また、仏のALPHaNOV社からは、CFRPの表面にフェムト秒レーザーを照射することでナノ周期構造が形成できることが報告された。真っ黒なC F R Pが虹色に輝いていた。

◆途切れのないEUの研究戦略

Closing Plenary sessionは、Ruhr大学のOstendorfから“HORIZON 2020”の紹介があった。EUでは現在の研究・技術開発のための枠組み計画（F r a m e w o r kProgramme 7 : FP7）が2014年に終了するのを受けて、H O R I Z O N 2020と呼ばれる 2014〜2020年の次のフレームワークプログラムF P8が計画されている。基礎研究から市場までをシームレスに繋ぎ、より良い社会基盤の構築を目指している。
“HORIZON 2020”のホームページを覗いてみると、すでに計画開始までのカウントダウンが始まっていた。

◆ミニ知識【写真】オープニングで挨拶する会議議長の鷲尾氏

プレナリーセッションでS t a n f o r d 大学のT h o m a sBaerからGreen Photonicsの講演があった。今後、IT関連のエネルギー消費量が倍増することが予測され、銅配線が光配線に変わっていくと予測されている。なんと、グーグル検索1回当たりに 5k Jのエネルギーが消費されているとのことである。5 k Jといえば、1リットルの水が 1.2℃温度上昇するエネルギーである。
より詳細な会議報告（13頁）は賛助会員専用ホームページに掲載しています。

主な学会等報告予定
1月28日( 月) 〜30日( 水) レーザー学会学術講演会 第33回年次大会（姫路商工会議所）
櫻井 俊光「低温冷却Yb:YAG TRAMレーザーにおける熱解析」
島田 義則「レーザーを用いたコンクリート欠陥検出」
染川 智弘「水溶存ガスの遠隔計測に向けたラマンライダーの開発」
古河 裕之「多次元のレーザーピーニングのシミュレーション」
古瀬 裕章「低温冷却Yb:YAG TRAMレーザーのASEおよび寄生発振」
Laser Cross No.297 2012, Dec.

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