Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP003

短パルス X バンドライナック中性子源のビーム発生シミュレーション
SIMULATION OF NEUTRON GENERATION IN SHORT PULSED X-BAND LINAC
NEUTRON SOURCE
田儀和浩 A)*, 松山大樹 A),山本昌志 B), 土橋克広 A), 藤原健 A), 上坂充 A)
A)
Faculty of Engineering in University of TokyoB)
Accuthera Inc.

Abstract
It is important to improve the accuracy of nuclear cross section for waste reprocessing and design of new reactors, butfacilities where nuclear fuel materials can be measured are limited. So, in Tokyo University, there is a plan of developmentof electron linac neutron source for analyzing nuclear data. The research reactor “Yayoi” was decommissioned in TokyoUniversity and by introducing this linac in the core of the reactor, measurement of nuclear fuel materials can be expected.
30 MeV X-band linac is used so this system will be compact and this enables us to introduce the system into the core of“Yayoi.” Pulse width is short in order to measure high energy neutron with TOF method. In this research, generation ofelectrons, acceleration and interaction with several kinds of target and moderator are simulated.
イナックを用いた中性子源を採用した。東大中性子源には二つの特徴がある。第一に、X バンドの加速管
1． 研究背景・目的を使用することである。一般的な S-band のライナッ
1.1 研究背景クと比較して X-band は加速周波数が 4 倍であるため、装置全体をコンパクトにすることが可能であり[1]、東京大学東海キャンパスでは、長らく研究炉としこれによって炉心内部にシステム全体を導入するこて利用されてきた弥生炉が 2011 年に廃炉となり、廃とが可能になる。
炉後の設備の利用法として、炉心への加速器中性子第二の特徴は短パルスの中性子ビームが小型モデ源の導入について検討されてきた。
レータによって実現されることである。X バンドにTable 1 は国内の主な小型中性子源を比較したものすることで、コンパクトになる一方でビーム出力がである。小型中性子源に有効な中性子発生の原理とS バンドのものと比較して 1/2 程度に下がってしま
しては、陽子線、重陽子線、電子線、プラズマ核融合
い、測定時間が長くなるというデメリットがある。こ管を用いたものが挙げられる。このうち、陽子線を用
れに対して、中性子束は距離の 2 乗に比例して減衰いた中性子源は放射化物が少なく、比較的効率よくするため、TOF の距離を近づけることによって中性中性子を発生させることができるため、多くの所で子束を増やし、測定時間の短縮を図ることで対応で採用されている。一方で、電子線ライナックは、短パきる。しかし、同一エネルギーの中性子を短い飛行距ルスで利用することができることが大きな特徴であ離で測定するためにはパルス幅が短くなければならる。飛行時間法 (TOF) における中性子計測において、ない。また、高エネルギーの中性子を測定するために時間分解能はエネルギー分解能に直結するため、高もパルス幅を短くする必要がある。京大炉では 30
エネルギー分解能が期待される。本研究では電子ラTable 1: Comparison of Small Neutron Source

理研

加速器の種類

中性子強度

パルス幅

核燃料物質

陽子ライナック

10n/s

10 μs - 1ms×- 10 n/s

Micro: 10 ps

×12-14(7 MeV)
北大

電子加速器/S-band12(40 MeV・1 kW)
京大京大

Macro: 2 – 100 ns
12電子加速器/L-band8×10 n/s(30 MeV・6 kW)@ 6 kW

陽子サイクロトロン

9Micro: 40 ps○

Macro: 2 – 100 ns2

1.2×10 n/cm /s(30 MeV・33 kW)*tagi@nuclear.jp- 925 -×Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP003

keV の中性子に対する測定が行われており、それより高い 100 keV の中性子が測定可能なシステムを構築することで独自性を生み出すことが可能になる。
このような特徴を兼ね備えて中性子源システムを開発することが本研究の大目標である。
1.2中性子源の応用中性子源を弥生炉内に移転する予定である。
本研究の目的は、核燃料核データの精度向上のための中性子源に用いる X-band ライナック中性子源に必要な• 入射系の検討• バンチャー加速管の設計• ターゲットの設計• 短パルス中性子生成のための減速材の設計を行うことである。

東日本大震災により発生した福島第一原子力発電所の事故は、多量の放射性物質が外部に漏出するなど社会に対して甚大な影響を及ぼした。今後、福島の復興に向けて、廃炉措置を進めていくことは非常に 2． 入射系の検討重要である。そのために、原子炉内の溶融燃料に含まれるウランやプルトニウムといった核物質を定量的 2.1 コンプトン散乱 X 線源での実験に分析し、取り出し作業の際に環境に及ぼす影響を加速管と RF 源であるクライストロンは、東大が所予測しなければならない。
有している逆コンプトン散乱 X 線源で使用している
過去に起きた原子炉の過酷事故として米国・スリ X-band (11.424 GHz) 30 MeV のものを転用する。
ーマイル島の事故が知られている。スリーマイル島
2012年12月に11.424 GHz X-band Linac でビーム加の事故調査の一環として、溶融燃料に対する分析が 速試験等の実験を行った。2011年3月に発生した東行われた[2]。しかし、核物質を非破壊かつ高精度で計 日本大震災による損傷から復旧した後初めての実験量できる測定技術はまだ開発されておらず、現在 であった。
JAEA 原田氏らのグループによって検討されている[3]。 電子銃のヒーターと共振周波数のチューニングを本研究で開発される中性子源は燃料分析に必要な 行いながら、熱カソード RF 電子銃の加速空洞の特核燃料物質の中性子断面積の高精度化に貢献するこ 性を調べた。Figure 2 は HV=29.4 kV、Gun 電流=1.35とができる。弥生炉は廃炉後でも炉心では核燃料物 A 下における電流波形である。1 日後には共振周波数質の取り扱いが可能であり、そこに電子ライナック が変化しており、パラメーターの僅かな変化で特性中性子源を設置することで、核物質の測定が実現可 が変化し、また、再現性も芳しくないことが分かった。
能である。
全てのパラメーターが安定して設定可能であれば運転(operation) は可能と思われるが、空洞の真空度な1.3 研究目的
ど調整が困難なパラメーターにも影響を受けている中性子源の主要なコンポーネントを Figure 1 に示 ようにも見受けられ、安定した運転を困難にしていした。熱電子銃からの電子がバンチャー加速管を通 た。
したがって、中性子源にこの低エミッタンス熱高って光速まで加速し、さらにレギュラー加速管を経て 30 MeV まで加速される。加速された電子はタン 周波電子銃は利用するべきではないということが明グステンターゲットと衝突し、光核反応によって中 らかになった。
代わりに、安定した出力が得られる熱電子銃を採性 子 が 生 じ る 。 TOF の 飛 行 距 離 は 5 m で 、Transmission ならびに即発ガンマ線の測定システム 用した。印加電圧は 20 kV である。
を設置する。これらのシステムをまずはコンプトン
散乱 X 線源が設置されていた東海キャンパスのブランケット棟地下に構築し、基礎実験を行っていく。
200ns/div
弥生炉は現在廃炉作業中であり、廃炉措置が完了後、Ce:LiCAF
中性子検出器そのまま利用ビームダンプ
入射系
RF電子銃＋アルファマグネット

5m TOFビームライン

熱電子銃＋バンチャーを加速管に直結

加速管
約30 MeVまで加速
そのまま利用
中性子ターゲットの設置

12/20測定 11422.72GHz

Figure 1: Schematic view of new neutron sourceof University of Tokyo.

Figure 2: Beam intensity of RF gun.

- 926 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP003

3． バンチャー加速管の設計
コンプトン散乱 X 線源では、RF 電子銃が採用されていた。このため、加速管に入射する電子ビームのエネルギーは光速近くに達している。しかし、中性子源用の熱電子銃から得られる電子ビームのエネルギーは 20 keV であるため、逆コンプトン散乱で使用されていた加速管を中性子源に転用するためには 20 keVのエネルギーを光速付近まで加速するバンチャー加速管が必要になる。
そこで、5 MeV まで加速されるプリバンチャーの設計を行った。加速管には進行波の 2/3π モードのものを採用し、RF 入射パワーは 5 MW とした。計算には SUPERFISH[4]と呼ばれる高周波の電磁場計算を行うコードと GPT[5]を用いた・。
Figure 3 はビーム進行方向に対して、加速電場を一定にするためのディスク内径 (2a) の大きさの関係を示したものである。表面状態や接合状態に起因する Q 値の減少は 90％であるものと仮定した。これに基づいてバンチャーの構造を決定した。
バンチャーとコンプトン散乱 X 線源のレギュラー加速管を組み合わせたときのビーム電流とビームエネルギーの関係性を Figure 4 に示した。これにより、エネルギーが 30 MeV、ピーク電流が 250 mA の電子ビームが中性子ターゲットに入射することが分かった。

4． ターゲットステーションの設計
4.1

ウランターゲットの検討

ハイパワーの電流が得られないという X バンドライナックのデメリットを解消するため、高効率なターゲットとして、材質に劣化ウランを用いたターゲットの検討を行った。劣化ウランでは、光核反応に加えて光核分裂反応が制動放射 X 線との相互作用によって発生し、これによって高効率なターゲットが実現可能になる。計算にはモンテカルロシミュレーションコードである PHITS[6]が用いられた。一般的に電子ライナックで用いられる重金属類と比べて約 2 倍の中性子束が期待されることが明らかになった。しかし、Fission Product の取り扱いが難しく、現実的ではないと判断した。
4.2

小型減速材の設計

100keV の中性子を 5m の TOF において測定するためには中性子のパルス幅を 10 ns 程度にしなければならない。そこで、PHITS を用いて減速材の最適化を行った。Figure 5 はモデレータの材質による時間スペクトルの違いを示したものである。この計算の結果、軽水を減速材の材質とした。また、減速材直後の中性子

Figure 3: Relationship between position and discrange in buncher.
Figure 5: Time spectrum of 10 – 100 keV neutron
among some moderator materials.

Figure 6: Energy spectrum of neutron source.

Figure 4: Relationship between beam current andbeam energy.

- 927 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, JapanPASJ2014-SUP003

Table 2: Parameter of X-band Linac Neutron Source
電子ビームエネルギー30 MeV

ピーク電流値250 mA

最大パルス幅1 μsec

繰り返し50 pps

最大ビーム出力

0.375 kW

最大ターゲット強度

1.3×1011 n/s

中性子束(5 m TOF)

1.1×103 n/cm2/s

パルス幅(10-100 keV)

6.6 nsのエネルギースペクトルを Figure 6 に示した。
4.4

TOF システムの評価

Table 2 に計算された主なパラメーターを示した。
結果 5 m TOF の中性子検出器には 1.1×103 n/cm2/s の強度の中性子が入射することが明らかになった。

5． 結論
核物質核データの精度向上のための X-band ライナ
ック中性子源中性子源の開発を行っている本研究では中性子源に必要な• バンチャー加速管• ターゲット• 短パルス中性子ビーム生成のための減速材の設計を行った。また、当研究室で中性子検出器の設計も進められており、これにより、X バンドライナックを用いた小型で弥生炉の炉心に挿入可能な、100keV までの中性子断面積を短い TOF の飛行距離で測定するシステムが設計された。
今後の予定としては、設計されたバンチャー加速管の製作を当面の目標とする。ターゲットステーシ
ョンについては、熱伝導計算を行った上で、配管の接合方法などを決定した後発注される。製作されたコンポーネントは、まずコンプトン散乱 X 線源が設置されていた東海キャンパスのブランケット棟地下に構築される。電子ビームの調整などを行って、来年以降に中性子ビームによる測定を行っていく予定である。

参考文献[1] M. Uesaka, et. al., Nuclear Instruments and Methods inPhysics Res. B 261 (2007) 867-870.
[2] H. Uetsuka, et al., JAERI-Research 95-084.
[3] H. Tsuchiya, et. al., Nuclear Instruments and Methods inPhysics A 729 (2013)338-345.
[4] K. Halbach and R. F. Holsinger, Particle Accelerators 7(1976) 213-222.
[5] M.J. de Loos et, al. Proceedings of EPAC, Sitges, Spain, p.
1241 (1996).
[6] K. Niita, et. al. JAEA-Data/Code 2010-022 (2010).

- 928 -