原子力人材育成ネットワーク報告会
2014.2.4

京都大学原子炉実験所における原子力教育研究基盤の整備

京都大学原子炉実験所
三澤 毅

京都大学原子炉実験所
場所：大阪府泉南郡熊取町
設置： 1963年4月に全国大学の共同利用研究所として発足。

関西空港

共同利用： 共同利用・共同研究拠点として、研究炉や臨界実験装置を利用する、年間約４０００人日の全国からの共同利用研究を受け入れている。
組織：
３研究部門、２附属施設
主な実験施設：
研究用原子炉 (KUR、出力5MW）
臨界実験装置 （KUCA、出力100W）
Co-60ガンマ線照射施設
ホットラボラトリ
熱特性実験装置
電子線線型加速器 （e--LINAC）
陽子加速器（FFAG、p-LINAC、CYCLOTRON）

京都大学原子炉実験所

電子線型加速器
LINAC

研究炉KUR

ホットラボ
トレーサーラボ
Co-60 γ線照射装置

イノベーションリ
サーチラボ（陽子加速器）
臨界集合体
KUCA

原子炉実験所

敷地面積：約１０万坪
桜：約２００本実験教育
実験

実験項目

使用施設

目的

①臨界近接実験

臨界集合体（KUCA）

炉物理②制御棒校正実験

臨界集合体（KUCA）

炉物理③中性子束測定実験

臨界集合体（KUCA）

炉物理④温度係数測定実験

臨界集合体（KUCA）

炉物理⑤運転実習・スクラム実験

臨界集合体（KUCA）

原子炉運転①原子炉反応度測定研究炉（KUR）

炉特性実験②粒子線光学実験

研究炉（KUR）中性子導管

中性子光学実験③中性子場の線量測定

研究炉（KUR）重水照射設備

中性子場評価④アクチニド元素の抽出実験

研究炉（KUR）圧気輸送管、ホッ
再処理基礎
トラボ

⑤中性子飛行時間分析法

電子線LINAC

核データ測定⑥加速器ビーム実験

陽子加速器（FFAG）

加速器基礎⑦未臨界実験

臨界集合体（KUCA）

炉物理「原子炉利用分析実験」①原子炉利用分析実験

研究炉（KUR）圧気輸送管 中性放射化分析実験
子導管・ホットラボ「原子炉体験実験」①原子炉特性試験

研究炉（KUR）「原子炉基礎実験」及び「全国大学院生実験」「原子力工学応用実験」

炉特性実験目標とする教育
原子炉の臨界、原子炉の制御、核燃料物質や放射性物質の取り扱い、中性子を用いた各種の実験等、さらに原子炉に関係する法的規制を実際に体験する事等を介して、原子力や放射線利用の技術的な基礎と原子力安全文化を体感・体得した学生を育てる事を目標とする。

触れて、操作して、分析して、考察して・・・・・・本物の原子力を体感・習得

 原子力界（原子力関連事業や研究者）に進む学生については、この体験を活かして真の原子力技術者に育つことを目標とする。
 原子力界以外の分野に進む学生については、この体験を活かして原子力の評価を冷静に行う事が出来る社会の指導者になることを目標とする。

実験教育の体系 (16大学が参加)

加速器
ホットラボ
研究炉（KUR）(4)原子炉体験実験

臨界集合体（KUCA）(2)原子炉工学応用実験(1)原子炉基礎実験
全国大学院生実験

事業完了後に他大学にも展開を検討

北海道大学(3)原子炉利用分析実験東北大学

高知工科大学
福井工業大学

京都大学

法政大学東京工業大学
東京都市大学

金沢大学
東海大学
九州大学
神戸大学

大阪大学

近畿大学

福井大学

名古屋大学

臨界集合体実験装置(KUCA)を用いた実験教育
1974年
1975年
2003年
2010年
2013年

臨界集合体（KUCA）初臨界
KUCAを用いた大学院生実験を開始
海外の学生向け実験を開始
参加者総数 3000名到達
参加者総数 3700名超

200
180

大学院生
京大学生
海外
合計

160140

参加者数

120
100
80
60
40
20
0
1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

年度
臨界集合体を用いた実験の年当たりの受講学生数

臨界集合体実験装置(KUCA)を用いた実験教育
実験の目的
原子炉を用いた基礎的な炉物理実験・放射線計測実験、および原子炉運転実習を行うことにより、原子炉の原理・核特性・安全性・法的規制等を理解する。
実施対象学生
対象学生：京大学部学生、全国大学院生
受入れ人数：京大20名、全国大学院生150名
実施頻度：年に9週間
各大学において2単位が与えられる成果
今年度までに3700名以上の学生が受講し、受講者の多くは国内の原子力界において活躍している。

KUCA実験テキスト（日本語、英語、韓国語）

実験の進め方の変化（当初）• 参加学生は炉物理の研究室の学生が中心– 院生参加者 約 48名• 炉物理に対する理解を深める• 各グループ内での議論を行うことにより、問題を解決し、詳細な実験レポートを作成• レポートを書く上での説明は実験中に行い、レポート課題の解答についての説明の時間は取らない• テキストも必要最小限の内容

参加者アンケート

実験の進め方の変化 （現在）
• 参加学生はあらゆる分野の研究室の学生で、炉物理を履修していない（または理解不足）の学生もいる• 放射線計測などの実験を行った経験が少ない• レポートの課題に対して、結果をまとめた報告会を行い、参加者全員が課題を理解できるようにする• 報告会で理解した結果を元に、簡単なレポートを作成して提出する• 近年、学生の反応を見ながら新しい実験も追加– スクラム実験、温度係数実験、ボイド反応度実験• Basicコース （７週間）– 内容を簡略化 （例えば中性子束絶対測定を省略）– 原子炉、炉物理、放射線計測を体験する機会• Advancedコース （１週間）– これまでの内容に加え、放射線計測機器の調整、のような項目を追加し、炉物理、放射線計測に対するより深い理解を求める• 入門コース （2泊3日） （１週間）– 炉物理初心者向け– 京大エネルギー科学研究科の博士課程学生向けに実施 （英語）

実験後アンケート

原子力工学応用実験 （１）原子炉反応度測定
主要設備等

原子炉における反応度変化の測定手法を学ぶとともに、実測をとおして、反応度変化の機構を理解する。

本実験では研究用原
子炉KUR及び付設の計装類（核計装、プロセス計装）を使用する。実験に必要なデータは、実験用PC （反応度測定システム）に取り込んで処理する。

実施対象学生と実施計画
対象学生：京大大学院修士課程学生
受入れ人数：一回に５名程度
実施頻度：年に一度実施
実験手順等予定と期待される成果

研究用原子炉KURの出力変化及び制御棒位置変化より反応度の変化を測定し、得られた反応度変化における炉心温度及び燃焼による燃料組成の変化の影響等を考察する。
原子炉起動時の出力変化データを入力として、逆動特性方程式を解くことにより反応度変化を求める。また、定出力運転時の制御棒位置変化より、予め求めておいた制御棒校正曲線を用いて反応度変化を求める。この反応度変化と炉心の温度変化をもとに、キセノン効果を含む反応度変化の機構を考察する。

本実験は今回新たに導入する実験であり、平成23 年度より学生実験として実施する予定である。
この実験により、反応度の測定原理及び運転中の原子炉における反応度変化の機構への理解を深めることができる。

運転中のKURの炉心反応度変化測定例
反応度（%dk/k）

実験の目的

温度効果

0

Reactivity (Total)
Reactivity (Temperature)
Reactivity (Xe)

-1.0
-2.0 全反応度
010 20 30 40 50 60
運転時間（hr）

出力1MWで48時間運転した後、5MWに変更したときの反応度変化の様子

原子力工学応用実験 （２）中性子光学実験
実験の目的中性子は良く球で描かれることが多いが、反射･屈折といった光学的現象を起こす量子であり、(多層)膜は中性子ミラーとして使用できる。
中性子ミラーの体系は簡単な量子力学（箱形ポテンシャルモデル）で実験を見事に再現する。
実習では1次元シュレディンガー方程式を解いて実験結果と比較し、中性子の光学的性質を確かめ、その応用である中性子反射率法が表面・界面構造探索の強力な手法であることを理解する。
実施対象学生と実施計画
対象学生：京大大学院修士課程学生対象
受入れ人数：一回に５名程度
実施頻度：年に一度実施
実験の簡単な手順等
1.
2.
3.
4.

ＫＵＲ冷中性子導管群と冷中性子導管実験室の概略図使用する施設・設備
冷中性子導管実験室のCN-3ビームラインを使用する。

CN3導管から出てくる熱・冷中性子のスペクト 成果・経緯および予定ルを確かめる。
本実験は原子炉休止前より飛行時間法(TOF)又はθ-2θ法のどちらかの手 行われており、本実験を経法を選択して、反射率測定のためのビームラ 験した学生は、自分達で組インを学生主導で組む。
んだビームラインで中性子既知の多層膜や単層膜の反射率測定を行い、 反射実験を行うことで、量子構築したビームラインの妥当性を確認。
力学の基礎を実験を通じて未知試料を反射率法で評価し、その膜厚と材 確認し、中性子制御の基礎質を予想（偏極反射率測定とする場合もある）。 を身につけている。

院生実験で測定された中性子反射率測定の一例

原子力工学応用実験 （３）中性子場の線量測定使用する施設・設備

京都大学原子炉実験所は、国内で唯一、硼素中性子捕捉療法(ＢＮＣＴ)が行われている大学施設である。本実験では、ＢＮＣＴ用中性子場の線量特性評価を通じて、本療法の原理を体得する。

京都大学研究炉(ＫＵＲ)に設置されている重水中性子照射設備およびＥ－３中性子導管を使用する。
前者はＢＮＣＴに使用され、後者に設置されているＰＧＡシステムを用いて硼素濃度が定量されている。

実施対象学生と実施計画
対象学生：京大大学院修士課程学生対象
受入れ人数：一回に５名程度
実施頻度：年に一度実施
実験の簡単な手順等

成果・経緯および予定

1. 熱中性子、高速中性子、γ線３成分に対応した電離箱を用いて、ＢＮＣＴ用中性子場のビーム特性評価を行う。
2. ＢＮＣＴを模擬したファントム実験を行い、生体内の熱中性子束およびγ線線量率分布特性を確認する。熱中性子束は放射化箔法で、γ線線量率はＴＬＤで評価する。
3. 硼素化合物を含む生体試料中の硼素濃度を即発γ線測定法(ＰＧＡ)により評価する。
4. 記1～3の測定・評価データを統合して、ＢＮＣＴ時の線量分布の確認を行う。補足的にシミュレーション計算も行う。

本実験は、ＢＮＣＴにおける硼素濃度測定評価から始まった。随時改善され、現在、硼素濃度評価に加えて、ファントム実験による線量分布評価も行っている。今後は、多重電離箱法によるビーム特性評価を加え、ＢＮＣＴに関わる一連の線量評価を体得できるようにする。

ＫＵＲ重水中性子照射設備

ファントム内線量分布の一例
10B 50 ppm

410477keV (470-485)

107B(n,α) Li
122220 keV H(n,γ) D
511 keV annihilation

310Count

実験の目的

2101100500

1000

15002000

Gamma-ray Energy (keV)

ＰＧＡによる測定結果の一例

原子力工学応用実験 （４）アクチニド元素の抽出実験
実験の目的
照射用カプセル軽水炉等の使用済燃料の再処理にはＰＵＲＥＸ法という溶媒抽出法が用いられている。本実験
では、天然ウランをＫＵＲにて中性子照射し、照射した試料を用いてＰＵＲＥＸ法を試行し、核種の分配挙動を理解する。

照射ウランの溶媒抽出

実施対象学生と実施計画
対象学生：京大大学院修士課程学生対象
受入れ人数：一回に数名程度
実施頻度：年に一度実施

照射設備

測定室

実験の簡単な手順等
1. 天然ウランを照射用カプセルに封入し、照射設備を用いてＫＵＲにて中性子照射を行う。
2. 照射試料を硝酸に溶解し、ＰＵＲＥＸ溶媒（抽出剤を含有する有機溶媒）と共に撹拌する。
3. 有機相と水相を分取し、γスペクトロメトリを行う。
4. ２相の放射線強度比から核種の分配比を求める。
照射したウラン試料中には核分裂生成物や超ウラン元素などの核種が多数生成しており、各核種の分配挙動は、硝酸溶液中の原子価、硝酸イオンや抽出剤（リン酸トリブチル）との錯生成、などに律されている。
各核種がＰＵＲＥＸ工程でどのような化学挙動をとるかを理解することで、核燃料サイクル工学の基礎を理解する。

溶媒抽出試料のガンマ線スペクトル例

原子力工学応用実験 （５）中性子飛行時間分析法
実験の目的使用する施設・設備の紹介

電子ライナックの白色パルス中性子源を用いて、中性子飛行時間分析法（TOF法）による中性子スペクトル測定及び核データ測定の体験を通じて、中性子測定技術及び原子炉内における諸種の核的現象についての理解を深める。

電子ライナック
Lバンド大電流マイクロ波で電子を加速
加速エネルギー 30MeV
最大出力6 kW
パルス幅2ns～4µs
繰り返し周波数1～300 Hz
中性子飛行距離 12m

実施対象学生と実施計画
対象学生：京大大学院修士課程学生対象
受入れ人数：一回に3～4名程度
実施頻度：年に一度実施
実験内容

全吸収型BGO検出器
12台のBGO検出器（5×5×7.5 cm3）から成るカロリーメータを用いて中性子捕獲γ線の波高とTOFの2次元データを取得する。

1)

実験授業の成果や経緯

2)

水減速材の中央に設置した光中性子源からの中性子スペクトルをTOF法を用いて測定する。

本実験はこれまでも「原子力工学応用実験」の一課題として継続されて行われてきた。
全吸収型BGO検出器を用いて、各種本実験を経験した学生は、中性子サンプルからの即発ガンマ線を波高とTOFの2次元データとして取得し、中性 飛行時間分析法による中性子測定技術及び原子炉内における諸種の核的子捕獲断面積測定を行う。
現象に関する理解を深めることができている。

電子ライナック本体の写真

中性子源周辺の写真

BGO検出器で取得した捕獲γ線の波高とTOFの2次元データの例

原子力工学応用実験 （６）陽子加速器ビーム実験
実験の目的
陽子円形加速器及びビーム輸送系におけるビーム安定性の原理、電磁石を用いた収束の作用、ならびにシンクロトロン加速について学ぶ。

4) 高周波加速装置に周波数変調するパターンを作成し、ビームを加速する。半径プローブモニターを用い、ビームのエネルギーを時間の関数として測定する

実施対象学生と実施計画
対象学生：京大大学院修士課程学生対象
受け入れ人数：一回に２名〜４名
実施頻度：年に一度実施
実験内容
1)

2)

3)

実験授業の成果使用する施設・設備の紹介
150MeV-FFAG加速器複合系
主にブースター（陽子：10MeV）
・各種ビームモニター
・ビームライン電磁石
・高周波加速装置

本実験を経験した学生は、ビームの挙動をモニターで観測しながら、電磁石を用いて自在に制御できることを体感し、さらに高周波電場を用いてビームを加速することにより、ビーム加速の原理に関する理解を深めている。

ビーム輸送系に置かれた蛍光板ビー
ムモニターでビームを観測しながら、上流の偏向磁石、収束磁石の励磁電流値を増減し、それぞれの磁石の働きを実感する。
ブースターFFAGにビームを入射した後高周波捕獲を行い、捕獲されたビームが高周波電場を復元力として縦方向の振動をする様子を観察する。
横方向の振動によるΑΜ変調を観測し、ビーム周回周波数とΑΜ変調によこの振動数が各種共鳴条件を避けるように設定されていることを確認する。 るサイドバンドの測定例。

FFAG加速器複合系：イオン源で生成された陽子ビームは３つのリングにより段階的に加速され、KUCAに輸送される。

原子力工学応用実験 （７） 未臨界実験
実験の目的

主要設備等

原子炉の未臨界状態における各種の炉特性 施設：量の測定を行うことにより、原子炉の動特性を臨界実験装置（KUCA）、理解し、さらに核燃料を取り扱う上での臨界安 コッククロフト・ウォルトン全について学ぶ。
型 DT加速器
実施対象学生と実施計画
データ取得：
対象学生：京大大学院修士課程学生
核計装データ収集装置
受入れ人数：一回に３～４名程度
実施頻度：年に一度実施

パルス中性子法実験で使用する加速器
2009/3/4 FFAG-KUCA ADS Experiment
10000
run 1
run 2
run 3予定と期待される成果
本実験はこれまでも「原子力工学応用実験」の一課題として行われていた。
KUCAでの原子炉基礎実験とは異なり、より高度な炉物理研究に触れることができる実験内容となっており、特に原子炉の動特性に関する理解を深めることができる。

100

10100.005

0.010.015

0.020.025
Time (sec)0.030.035

0.04

パルス中性子法による測定例
0.3

Y−value

臨界実験装置（KUCA）で未臨界体系を構築し、体系の未臨界度や動特性パラメータの測定を下記の異なった実験手法により行う。
１） パルス中性子法
体系にＤＴ加速器で発生させるパルス中性子を打ち込み、中性子束の時間変化を測定する。
２）炉雑音測定法
未臨界状態における中性子束の揺らぎ(炉雑音）を測定し、Feynman-α法、Rossi-α法、またはフーリエ変換法による解析を行う。
３）中性子源増倍法
未臨界体系に定常中性子源を入れて中性子束を測定する。

1000

Counts/ch

実験手順等

0.20.100204060
Gate Width (msec)

80

炉雑音測定法（Feynman-α法）による測定例

原子炉利用分析実験
実験の目的
原子炉を用いた高感度・高精度元素分析法である
中性子放射化分析実験の実習を行うことで、放射性同位元素の製造・取り扱いおよび放射線測定の基礎的な技術を習得するとともに、放射性同位元素の壊変特性などの基礎知識の習得を目指す。
実施対象学生と実施計画
対象学生：全国の大学４年生以上の学生を対象
受入れ人数：一回に１０名程度
実施頻度：年に一度実施

中性子照射（ＲＩ製造）のための圧気輸送管照射設備

製造

実験の簡単な手順等
1. 圧気輸送管照射設備を用いて、元素組成が評価済みの標準試料と比較標準試料の中性子照射を行う。
2. 照射試料を開封し、ガンマ線スペクトロメトリーを行う。
3. ガンマ線スペクトルを解析し、試料中に含まれていた元素の定量を行う。
使用する施設・設備
中性子照射のために圧気輸送管照射設備を、照射した試料（放射性同位元素）の取り扱いのためにホットラボ実験室を、ガンマ線スペクトロメトリーのために測定室を用いる。

放射性同位元素取り扱い

ＲＩを取り扱うためのホットラボ実験室

測定

ガンマ線測定のための測定室

包括的原子力安全基盤教育の整備• 2013年度より新規の実験教育（原子力安全基盤教育）の開始– 原子炉工学実験– 放射線安全教育• 環境試料の放射化分析（KUR）、放射性廃棄物処理の化学操作、安全管理実務– 放射性物質取扱安全教育• 濃縮度測定（ホットラボ）、放射化分析と化学処理（KUR）、保障措置– 地震・津波安全教育• KUR建屋の微動振動測定、地震津波安全設計、活断層– 中性子医療基礎教育• 細胞・マウス照射実験、治療計画実習• これまでの実験教育に加えて、安全に関すること（法律などを含む）にも重点を置く• 対象は大学院生のみならず、国や地方自治体、研究所等で放射線安全にかかわる業務に携わる職員も対象とする

実験教育の課題• 各大学でのカリキュラム、スケジュールとの関係– 参加者の確保– KUCA実験は参加各大学で2単位が出る• 参加旅費等の問題– 原子力人材育成公募事業の終了後の課題• スタッフの負担• 実験装置の維持に関する負担の増加– 規制対応の煩雑化– 装置にトラブルが発生したときの問題– 維持費の問題