2018 Fiscal Year Research-status Report
大強度加速器施設の気体中に生成される放射性核種の存在状態と挙動の解明
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17K00560
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
別所 光太郎 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 (10300675)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
春日井 好己 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, リーダー (40354724)
中根 佳弘 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, リーダー (00354762)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 加速器 / 放射性核種 / 化学種 / 挙動 / 気相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大強度の粒子加速器施設では、ビームで照射される標的等に多量に生成される放射性核種を適切に取り扱うことが施設の安全な運用上不可欠である。本研究では、大強度陽子加速器施設J-PARCのハドロン実験施設において、金標的内で生成された放射性核種が標的容器を経由して循環するヘリウム気体に移行する過程、気体中での核種の挙動を明らかにすることを目指して検討を行っている。また、J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）の液体水銀標的内に生成されるH-3の挙動についても詳細な解析を進めている。
ハドロン実験施設での検討から、ビーム運転中に循環ガス中から検出されるガンマ線放出核種は、標的やビーム窓に生成される多様な核種のうちで気体状化学種を生成しやすい元素のC,N,O,F,Ne,S,Ar,Hg等の核種が選択的に気相に移行して検出されていることを明らかにした。平成30年度は、気体中の各放射性核種の濃度を決定し、各核種の固体から気相への移行割合を定量的に評価した結果、C-10, N-16, O-14, O-19, O-20, Ne-23, Ar-41については、固体から気相へ移行する割合が同程度の値を示すことが分かった。一方、F-20, S-37, Hg-191m, Hg-192, Hg-193m, Hg-195, Hg-195m については、上記核種に比べて1/20～1/4程度の値を示し、気相に移行する割合が小さいことが分かった。これらの特徴は、核種の存在化学形態を反映したものと考えられる。
MLFでの検討においては、水銀標的容器を交換する作業時におけるH-3の気相への放出挙動に着目し、水銀容器を構成するステンレス材料へのH-3の吸蔵と気相への放出の過程をモデル化し、詳細に検討した。その結果、容器交換時に観測される気相中のH-3濃度の時間変化について、定量的に説明することが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度までの検討では、J-PARCのハドロン実験施設における標的容器循環ヘリウム気体中で観測される放射性核種とMLFの水銀標的中に生成されるH-3を主要な検討対象として研究活動を行った。ハドロン実験施設では、様々なビーム運転条件で観測されたヘリウム気体のガンマ線スペクトルと経時変化を詳細に解析し、ビーム強度、標的温度などと注目する核種の気相濃度の関係について検討し、その特徴を明らかにした。また、固体から気相への核種移行割合は、C, N, O, Ne, Ar 等の元素の核種では同程度の値を示すのに対し、F, S, Hg 元素の核種はやや小さな値を示すことを明らかにした。これらの気相移行割合の特徴は、気体中および固体表面における核種の存在化学形態を反映した結果と推定され、本研究ではじめて明らかになった重要な知見であると考えている。また、MLFの水銀標的内で生成されたH-3のステンレス材料内への吸蔵と固体内拡散、気相への放出などの過程についても、本研究によりはじめて定量的な解釈を試みた。
これらの研究成果は、放射性核種の化学挙動に関連する研究会等での報告に加え、水素同位体科学の専門研究者を訪問しての意見交換、核反応シミュレーション計算の専門研究会における報告などを行い、多くの有益な助言を得た。また、海外の大型加速器施設の安全関係者が集まる情報交流会に参加し、加速器施設での安全管理に関わる情報交換にも取り組んだ。
以上の成果は研究計画に概ね沿ったものであり、本研究は、おおむね順調に進展していると自己評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の検討においても、多くの基礎情報を取得可能な系として、J-PARCハドロン実験施設の標的容器循環ヘリウム気体中の放射性核種、MLFの水銀標的に生成されるH-3を主要な対象として検討を行う。ビーム運転中および標的容器の交換作業中に取得されたガンマ線スペクトルや経時変化データを詳細に解析し、注目する放射性核種の挙動についてより詳細・定量的に考察する。また、ハドロン実験施設のガス循環経路に設置されているHEPAフィルター、活性炭フィルターのガンマ線スペクトル測定から、粒子状として気相中に存在してHEPAフィルターに補足される核種、活性炭に吸着補足される核種などの存在とその割合等について議論が可能となると考えている。また、ビーム運転条件における標的やビーム窓の温度において、固体表面および気体中の放射性核種の存在形態について、化学平衡計算プログラムを利用して予測し、化学種の沸点・融点・蒸気圧等も考慮して、固－気間移行過程、気相での微粒子生成過程などについても考察する。
これらの実験、および計算的手法による解析結果について多方面から考察し、放射性核種の気相および固体表面における存在状態、挙動を詳細に理解することを目指す。さらに、得られた知見を踏まえて、加速器トンネル内の空気や排気など加速器施設の放射線安全管理において重要な、他の気相系における放射性核種の挙動予測についても検討する。
以上の検討で得られた知見を踏まえ、大強度加速器施設において起こり得る放射性物質漏えい等の異常事態を想定し、その発生と拡大の防止措置についても検討する。これらの取り組みについては、国内外の大型加速器施設とも情報交換、議論を進める。
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| Causes of Carryover |
該当年度に本経費での購入設備として予定していた項目のうち、気体試料および固体試料の化学分析、放射線測定に必要な付属機器・消耗品類、化学平衡解析用ソフトウェアの費用が、実験及び計算評価方法の一部変更などにより、安価で購入可能となった。
次年度においては、すでに保有する化学分析・放射能装置等に、必要な付属機器・消耗品等を追加して、必要な実験検討を進めるとともに、購入済の化学平衡解析ソフトウェアを用いた詳細な評価計算を実施する。
また、研究最終年度として、論文誌等に研究成果を投稿するとともに、国内外の学会等において成果を報告し、専門研究者等と議論する。
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| Remarks |
別所光太郎、萩原雅之、渡辺丈晃、西川功一、倉崎るり、武藤亮太郎、齋藤究、春日井好己、" J-PARCハドロン実験施設の金標的監視用ガス中放射能の解析(2) ～ガス中放射能の観測値とシミュレーション計算結果の比較～"、KEK Proceedings 2018-7 (第19回「環境放射能」研究会 Proceedings、査読あり) , 259-264 (2018)
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