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

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K00549
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 沖 雄一 京都大学, 複合原子力科学研究所, 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(H29～H30)は、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。H30には、試料導入機構の開発を行うとともに、加熱条件の最適化を行った。使用機器の故障等により試料の加熱実験の開始が遅くなっているが、H31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を行い、結果をまとめる。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

1年目(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た。高周波炉は炉体としては完成し、アルゴンガスを流しながら行う加熱で、約2,100℃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、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生じた。さらに、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が、これを抑制する最適実験条件を見つけるに至らなかった。
2年目(H30)には、上記のエアロゾル発生を抑制する条件を見つけ、試料の溶融実験を実施できる態勢を整えることができたが、試行錯誤の条件探索に時間を要した。

Strategy for Future Research Activity

2年目までの実験の遅れの主因であった凝縮核カウンタ等の故障や、加熱時にるつぼからエアロゾルが発生してしまう問題は解決しており、現在直ちに溶融実験を行える状況にある。加熱中のるつぼからの微小エアロゾルの発生量は、印可電力などと相関があり、温度が閾値の超えると顕著な増大がみられた。これに対し、高周波炉に設置したるつぼに真空下で約2,000度の予備加熱を一定時間行った後、アルゴン気流中で加熱を行うことにより、エアロゾル発生量を大幅に抑制でき、ほぼエアロゾルフリーの清浄な条件が約1,800℃まで維持できることがわかった。
3年目(H31)は、実際に加速器施設(高エネルギー陽子加速器施設など)で放射化させた金属試料を用いて加熱実験を行う(約1,800℃まで)。放射化金属(合金含む)試料としては、当初種々の金属に対して行う計画としていたが、研究期間を考慮して対象を絞り、Al, SUS304, Cuなどとする。これらのチップ状の試料を、設定温度まで加熱したるつぼ内に新たに開発した試料導入機構を用いて投入する。加熱は、アルゴンガス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行う。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。現在、放射化金属試料をJ-PARC内での照射により準備している。

Causes of Carryover

翌年度分助成金と合わせて、物品費等に使用する。