2019 Fiscal Year Research-status Report
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
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17K00549
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
沖 雄一 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (40204094)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| 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 / 高温加熱 / 飛散挙動 / 粒径分布 / 加速器放射線安全 |
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| 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を目指すものである。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、放射化した金属の溶融実験を行う。
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てきた。H31(R1)は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、さらに実験条件の最適化を行って、完成した加熱炉とエアロゾル捕集システムの詳細と最適実験条件の発表を、第21回「環境放射能」研究会において行った。
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| Current Status of Research Progress |
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。
2～3年目(H30～H31)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ほぼ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。さらに実験に不可欠である放射化した金属試料を調達する大強度陽子加速器施設(J-PARC)が数か月にわたり故障により運転されなかったため、放射化金属試料を用いた実験をほとんど行うことができなかった。以上の経緯から研究に遅れが生じている。
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| 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などは解決しており、また現在は加速器の運転も支障なく行わなくている状態である。大きな問題であった加熱中のるつぼからの微小エアロゾルの発生は、るつぼの予備加熱として、真空中およびアルゴン気流中での加熱を最適な高温条件と時間で行うことで抑制できることが明らかとなった。アルゴン気流中で加熱を行うことにより、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。
このことにより、約1,800℃を上限としていくつかの溶融温度で放射化した金属試料の加熱溶融を、完成した高周波炉を用いたエアロゾル捕集システムで行い、エアロゾルを粒径別に捕集する。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。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。
本研究は、研究代表者が高周波炉のシステムが設置されている高エネルギー加速器研究機構に出張して実験を行うものなので、現状では、コロナ禍で出張困難な状況が続いたり、加速器運転が停止したりすれば、想定通りに研究が進まない場合も予想されるが、柔軟に対応し、できるだけ解析を進める。
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| Causes of Carryover |
研究の遅れにより補助事業期間を1年延長したため、当初当該年度で実施を予定していた内容の遅れ分については、次年度に使用する。次年度使用額は、実験旅費と消耗品の購入に用いる。
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