令和2年度 原子力システム研究開発事業 成果報告会

J-PARCを用いた核変換システム(ADS)の構造材の弾き出し損傷断面積の測定(JAEA/J-PARC) 明午 伸一郎、松田 洋樹、岩元 洋介
長谷川 勝一、前川 藤夫、岩元 大樹(KEK/J-PARC) 吉田 誠、中本 建志、石田 卓、牧村 俊助

1

内容背景
 弾き出し断面積の現状
 弾き出し断面積の測定

J-PARCにおける実験 3 GeV加速器施設(RCS)における実験 30 GeV加速器施設(MR)における実験

PHITSコードを用いた弾き出し断面積計算
計算モデルの比較考察
まとめ2

はじめに加速器駆動型核変換システム(ADS)や核破砕中性子源等の大強度陽子加速施設に用いられるビーム窓や標的等の構造材の損傷や寿命評価には、原子あたりの弾き出し数 (dpa)が用いられる。
核変換システム(ADS)
ビーム出力 30 MW
1.5 GeV, 20 mA
鉛・ビスマス標的

陽子ビーム窓： アルミ合金(J-PARC中性子源施設)

ビーム窓： Ti合金
(J-PARC ニュートリノ施設)

陽子
3 GeV

陽子
30 GeV

タングステン標的(建設予定： J-PARC 第2ターゲットステーション)

原子の弾き出し

陽子入射3

弾き出し断面積の現状
MARSコードによる評価(N. Mokhov) • dpa：計算で評価

dpa = フラックス x 弾き出し断面積
弾き出し断面積： 巨視的断面積• dpaによる損傷評価
原子炉、核融合炉等にも広く採用• 20 MeV以上の断面積実験データが不足し計算モデルの比較検討ができない• 実験データ取得が重要
弾き出し断面積：• マティーセン則に従い陽子入射による抵抗率変化（抵抗x断面/長さ) [Ω/m]により測定可能• 試料の極低温冷却が必要×8倍異なる
σ(E): 弾き出し断面積（巨視的断面積)
Δρ： 抵抗率変化率
Φ: 入射陽子フルエンス
ρf: フレンケル欠陥当たりの抵抗率増加

4

J-PARC 加速器施設
JAEA・高エネルギー加速器研究機構(KEK)の共同運営
大強度かつ極めて安定した陽子ビームの利用が可能
 高精度のビーム測定・制御により弾き出し断面積のデータ取得可能

3GeVシンクロトロン：
早い繰り返しのシンクロ
トロン(RCS)• 1 MW試験と500 kWの利用運転（物質・生命科学実験施設 MLF)

メインリング：（MR: Main Ring)
50 GeVシンクロトロン• ７50 kWの利用運転(ニュートリノ実験施設）
5本研究の内容
弾き出し断面積を測定し、計算モデルとの比較検討により計算モデルの精度を向上し、構造材等の損傷評価の精度向上によりADSの実現に資することを目的とする
研究項目

担当機関

研究目標と方法① 0.4〜3 GeVの陽子に対する弾き出し損傷断面積の実験
的研究

JAEA/JPARC

3GeVシンクロトロン施設において測定② 3〜30 GeVの陽子に対する弾き出し損傷断面積の実験
的研究

KEK/JPARC

メインリング(MR)において測定③ 弾き出し損傷計算モデルの高 JAEA度化に関する研究

実験との比較検討による計算モデルの改善

60.4～3 GeV陽子の弾き出し断面積測定
3GeVシンクロトロンのダンプ
上流に装置を設置

至 MLF
beamdump
ビームダンプ

3GeVシンクロトロン
GV2（φ320）

GV3（φ320） 陽子の運動エネルギーが変更可能

P2

ダンプ入射
QX7

 精密なビーム調整と高精度なビーム

QX8

SQ3060

SQ3060
X02 Y02
S3060 S3060

M02

測定が可能
 冷凍機を用いて4 K以下の極低温に冷却し、高精度な抵抗測定
 測定試料： Al, Fe, Cu, W

DMP

QX9

QX10

B02

D15150C
11.8deg

SQ3060

SQ3060

D16150

X03
S3060

M03

GM 冷凍機付き真空チェンバを設置した

Beam
4電極式で高い精度で抵抗を取得

V+

V-

I+

I-

試料ワイヤ

1m

7

8 GeVおよび30 GeV陽子の断面積測定
MRのアボートダンプラインで実験

周長 1.6 km

冷凍機(4 K)付き真空チェ
ンバを設置

真空チェンバ内部

J-PARC
ワイヤーを垂直に設置
Al, Fe, Cu, W(Φ0.25mm x L 50 mm)

He 冷凍機コンプレッサ-

真空チェンバ
コンプレッサおよび抵抗測定機器

アボートビームダンプ 8

陽子のビーム形状と抵抗変化測定
断面積導出：試料ワイヤーと直交するビーム幅（σh)が必要
ビームを試料中心に合わせることが必要、補正電磁石などにより直径0.25 mmのワイヤ中心に照準した。

ビーム幅測定ビーム照射中の抵抗の振舞い⊿R(35 μΩ)

タングステン

• 試料付近に設置したビームプロファ
イルモニターの測定データからビー
ム幅を導出した。

冷却到達温度： ~3.5 K （一時的な上昇 ~10 K)
9PHITSコードによる弾き出し断面積計算
二次粒子生成断面積(barn)

PHITSコードにより断面積を計算
 一般的なNorgett-Robinson-Torrens (NRT)モデル(1975) 非熱的再結合補正モデル：

arcモデル Al: Almazouzi, Fe, Cu, W: Nordlund パラメータ
NRTモデルの弾き出し数 (Nd)arc: Athermal
Recombination
Correction

arcモデルの弾き出し数 (Nd arcdpa)

弾き出し数 Nd （個)Td: 弾き出しエネルギー

arcモデル: 瞬時の再結合を示唆弾き出しエネルギー
Td> 2Ed/0.8において約3倍の弾き出し数の違い

Cu
Ed 33 eVー NRT
ー arc dpa
弾き出しエネルギーTd (eV)10

実験と計算モデルの比較
107

107

105
104
103

PHITS
Proton
NRT model
arc model
Neutron
NRT model
arc model

ProtonJung
Iwamoto
3NBT
MR
Neutron
LLNL

世界初

102 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 010 10 10 10 10 10 10 10 101
107
Cross section [b]Cu
610105

世界初

104310Jung
Iwamoto
Greene3NBT
PresentPHITS
NRT model
arc model

102 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
10 10 10 10 10 10 10 10 101

Fe6Cross section [b]Cross section [b]

1010

Jung
3NBT
Present105

世界初

104103PHITS
NRT model
arcmodel102 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
10 10 10 10 10 10 10 10 101
107
W

Cross-section [b]Al6610105

世界初

104
103

Jung
Iwamoto
Greene3NBT
PresentPHITS
NRT model
arc model

102 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
10 10 10 10 10 10 10 10 101
Proton kinetic energy [GeV]

Proton kinetic energy [GeV]
断面積誤差の主要因: ρf (フレンケル欠陥あたりの抵抗率増加) ~20%

◎ 弾き出し数(dpa)評価には既存の(NRT)モデルでなく非熱的再結合を補正した(arc)モデルが必要

11議論 (1) :断面積の質量数依存性
ー 高エネルギー領域のタングステンの断面積の振舞いー
107

Cross section [b]

Cu

106
105

Jung
Iwamoto
Greene3NBT
Present104
310PHITS
NRT model
arc model

102 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
10 10 10 10 10 10 10 10 101
Proton kinetic energy [GeV]Cross-section [b]

107

W106
105

Jung
Iwamoto
Greene3NBT
Present104
103

PHITS
NRT model
arc model

102 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 010 10 10 10 10 10 10 10 101
Proton kinetic energy [GeV]※弾き出しに寄与する二次粒子を評価
Cu

少ない

W多い

高エネルギー領域
核分裂片・核破砕生成物の寄与が支配的となり生成12

議論(2)：断面積の質量数依存性
ー 断面積∝質量数 1.2 と 断面積飽和の原因 ー
発熱密度の入射陽子エネルギー依存性

考察： 数GeV領域でA1.2則(∝A1.2）の振舞い【考察】 弾き出し数の質量依存• 反応断面積A2/3• 弾き出し数(Lindhardモデル)よりA1.6• 放出エネルギー A-1• 合計~A1.2
新たな知見

Damage energy [eV]一致

Energy deposition [MeV/cc]

タングステンの陽子入射発熱密度• エネルギーと共に発熱は増加• 弾き出し断面積はほぼ一定⇒ 弾き出し断面積も増加するはず?

― Bethe-Bloch(電磁力)― 電磁力＋核力

Proton energy [MeV]

Lindhardモデル
弾き出し数の飽和により断面積が飽和本モデルの高エネルギ領域への適用性を明確にした

PKA energy [eV]

13

まとめ
入射陽子エネルギー領域 (0.4 GeV～ 30 GeV) の標的・ビーム
窓の損傷評価で重要な弾き出し断面積を取得した。鉄およびアルミなどの重要な材料の実験データを世界で初めて得た。
計算モデルとの比較検討
 既存のNRTモデルは実験を~3倍過大評価
 arcモデルは実験とよい一致を示した。
⇒ 弾き出し(dpa)評価にはarcモデルの適用が不可欠 高エネルギー領域の弾き出しのメカニズムを明確にした。
ADSの実現性や大強度陽子加速器施設の安全性向上に貢献
原子炉・核融合炉の材料の損傷評価の精度向上
成果 論文 7 件、口頭発表 11 件
 原子力機構プレス発表： 2020年7月 、所内表彰(2020年9月)
 本研究は高い評価をいただき、原子力学会 論文賞 受賞の内定受理した（授賞式 本年3月17日)
1415昇温による損傷緩和の測定
Al100

Resuming damage [%]Resuming damage [%]• 照射後の試料をヒーターで20分間昇温し、再冷却を行い昇温による緩和を測定• 100～200 MeV陽子及び中性子とほぼ同じ結果 ( T<20 Kでは緩和は殆ど無い)
Electron 1 MeV
Neutron ORNL
185 MeV proton
Present (3 GeV)

806040200040206080

1008060
40Fe
Electron 1 MeVFast neutron
Present (3 GeV)

2000100

20

Resuming damage [%]Resuming damage [%]1008060Cu

2000

Electron 1 MeV
Neutron ORNL
Thermal neutron
125 MeV proton
196 MeV proton
Present (3 GeV)

204060Temperature [K]608010080100

Temperature [K]Temperature [K]4040801001008060
402000W
Fast neutron (JRR3)
Proton 0.39 GeVPresent (3 GeV)

204060Temperature [K]16