高エネルギー加速器施設における高温条件下の放射性核種の飛散挙動の解明

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K00549
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 沖 雄一 京都大学, 原子炉実験所, 准教授 (40204094)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松村 宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 放射線科学センター, 准教授 (30328661)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 放射性エアロゾル / 高エネルギー陽子加速器 / 放射化金属 / 粒径分布 / 溶融事故 / 加速器放射線安全

Outline of Annual Research Achievements

2013年のJ-PARC(大強度加速器施設)における放射性核種の漏洩事故は、放射化した金属ターゲットが、機器の故障により大強度の陽子ビームに照射されて溶融・蒸発したために起きた。放射化金属中には、高エネルギー加速器施設特有の核反応である核破砕反応によって生成した多種類の放射性核種が含まれており、種々の元素、化合物の飛散挙動の違いが観測されている。本研究は同様の漏洩を防止するために、放射化させた金属試料等を用いて高温炉による溶融実験を行い、核種飛散の基礎的挙動を解明するものである。本研究の知見は、加速器安全および加速器放射線安全の確保に大きく寄与すると同時に、福島第一原発事故における多種類の放射性核種の放出に関しても有益な情報となることが期待される。
本研究では、加熱により放射化金属から放射性核種の飛散挙動として、エアロゾル粒子への濃縮挙動や、共存するエアロゾルの影響などを観測する予定である。このために、発生する高温の放射性エアロゾルの捕集や、各種エアロゾル粒子の導入が行える高温炉とエアロゾル捕集システムの開発・整備を行い、金属溶融実験を行う。
これまでに、初年度(H29)の計画のとおり、加熱炉として主に用いる高周波誘導加熱炉の開発・整備と、低圧インパクタを用いる粒径別エアロゾル捕集システムの開発を行った。次年度以降は、金属試料加熱のコールド実験を経て、高エネルギー陽子加速器施設内で実際に放射化させた金属試料などを用いて加熱溶融実験に着手する。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

初年度(H29)の計画では、加熱炉として主に用いる高周波誘導加熱炉の整備と、発生する高温のエアロゾルの捕集方法の検討を行うこととなっている。高周波炉は炉体としては完成し、窒素又はアルゴンを流しながら行う加熱で、約2,000℃の安定した昇温を達成した。発生するエアロゾルを希釈することにより、室温まで温度を下げ、粒径別にエアロゾル粒子を捕集する装置である低圧インパクタに導く捕集システムを完成させた。
しかしながら高周波加熱時に、発熱体として用いた超高純度カーボンるつぼからかなり高い濃度の微小エアロゾルの発生が認められたため、これを抑制する実験条件を見つけるのに時間がかかっている。さらにエアロゾル発生量の評価に不可欠である凝縮核カウンタが不調となり、修理にかなり時間を要してしまった。この間の代替機の調達ができず実験の中断期間ができてしまったために、実験の進捗に遅れがみられる。

Strategy for Future Research Activity

実験の遅れの主因であった凝縮核カウンタはすでに修理が完了しており、加熱条件の検討を再開している。加熱中のるつぼからの微小エアロゾルの発生量は、印可電力と相関があり、温度が閾値の超えると顕著な発生がみられることがわかった。この発生を抑制して、バックグラウンドのエアロゾル濃度が低い、清浄な条件で加熱実験を行うために、少ない印可電力で温度条件が達成できるようにるつぼ周りの断熱を強化して、検討を行う。検討の結果、高温において清浄な条件での実施が早期に困難である場合には、清浄な条件が達成できる温度範囲(現状では1,300℃程度まで)で加熱実験を行う。この際には試料として主に低融点の金属(Al, Zn, Pb等)を選択して実験を実施する。
放射化金属試料としては、フォイル状のものを高エネルギー陽子加速器施設であるJ-PARC内などで放射化させて多種類の放射性核種を生成させた試料を用いる。高周波炉に窒素、またはArをキャリアガスとしてマスフローコントローラで供給しながら加熱する。種々の温度において生成する放射性エアロゾルを低圧インパクタに導き、質量基準および核種毎の放射能基準の粒径分布を測定し、粒子の生成機構を考察する。

Causes of Carryover

翌年度分助成金と合わせて、物品費等に使用する。