2019 Fiscal Year Research-status Report
J-PARCニュートリノビームラインの放射化水及び放射化空気の研究
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18K03682
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
大山 雄一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 講師 (30213896)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 善一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (00200759) [Withdrawn]
石田 卓 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (70290856)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | J-PARC / ニュートリノ / 放射化水処理 / ベリリウム / トリチウム / 大強度ビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
J-PARCニュートリノビームラインにおいて、ビームライン機器の冷却水は、ビーム運転を継続するにつれて高濃度の放射能を含むようになる。これはビームにより生じる中性子が冷却水中の酸素原子を破壊することによるものである。また、冷却水配管から冷却水に溶け出した鉄破壊起源の放射能も冷却水中に留まり、冷却水の放射化の一因である。これらの放射能は安全なビーム運転のために効率よく除去する必要がある。
2019年度は、2018年度を上回るビーム強度約500kWでの運転が継続された。ビームラインでの年間総陽子数は4.77E20POT(proton on target)になった。これはビーム時間を1.0E7秒に換算すると230kW相当のビーム強度に匹敵する。ビーム強度は増強されたもののビーム時間の減少により、前年度の5.16E20POTを下回る結果になった。いまだに最初の目標とするビーム強度750kW、年間16.8E20POTの半分に満たない。さらには将来計画として見据えている1300kWには程遠い状態である。
冷却水中の放射能のうち、当初大きな問題は7Beの除去であった。2019年度は、2018年度までに蓄積された7Be除去のノウハウを駆使し、一般排水中に全く測定できないレベルまで減らすことに成功した。除去率は99.99%以上である。7Be除去の方法は完全に確立されたと考えて良い。
残った最大の懸案は3Hの処理である。ほとんどの3Hは希釈排水タンクを用いた一般排水により処理を行ってしている。2019年度は3平日に1回の排水を52回行い、タンクローリーによる放射化水引取も加え165.1GBq相当の3Hを処理した。処理能力の限界が近づいている。2020年度からの2年間での大きな希釈排水タンク新設を提案し、その設計の詳細を検討した。
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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
1年間のビーム強度x運転時間は230kWx1.0E7相当であり、目標の750kWx1.0E7相当に達していない。したがって大量の7Beが生じた時の対処方法という本研究の目的に合致したビーム量を得るに至っていない。しかしながら、冷却水中の放射能のうち7Beについては既に目途が立っており、残る課題はイオン交換樹脂通水システムの大量の放射能除去後のメンテナンスだけである。
昨年度から問題になりつつあるニュートリノビームライン鉄壁からのトリチウム流出について、定量的な検討が行われた。ヘリウム容器鉄壁中から１日あたり0.20GBqのトリチウムが冷却水中に流出していることが分かった。このトリチウムはニュートリノビーム運転開始以降鉄板内で生成され閉じ込められていたものと考えられる。トリチウムの半減期（12.3年）を考えると、今後もビーム強度が上がるにつれて鉄板中のトリチウムも増加する。将来的には鉄板からのトリチウムが水中の酸素の核破壊によるトリチウムと同量になる可能性もあり、大きな問題としてクローズアップされつつある。
また、ヘリウム容器内のメンテナンス前にヘリウム容器内に乾燥空気を送っても容器内空気中のトリチウム濃度が下がらない現象も鉄板から空気への1日あたり0.72GBqのトリチウムの流出で説明がつく。水への流出とともに大きな問題として提起された。
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| Strategy for Future Research Activity |
ハイパーカミオカンデ実験の予算が承認され計画段階から建設段階へ進んだことにより、ニュートリノビームを供給する側の充実という点でニュートリノビームラインの放射線問題も重要性が増しつつある。トリチウムの処理については、2つの点において新たな局面を迎えている。
１つは合計約400m^3の放射化水希釈排水施設の建設がスタートしたことである。これにより、放射化水の処理能力は最大約4倍に増強される。しかしながらこれを実際に運用するにあたっては排水サイクルや放射能測定手順等、さまざまなシステムやメンテナンスの問題があり、これらを解決して放射化水を確実に処理するためにトリチウム処理についてさまざまなノウハウの提供することが今後の大きな課題である。
今後の研究のもう１つの大きな柱は鉄板からの水や空気へのトリチウム流出問題である。これについては、FermilabのニュートリノビームライングループのNUMIやLBNF計画とも問題を共有している。鉄板からのトリチウム流出は1年で半分程度に減ることが判りかけている。この半減期はビームラインのメンテナンスという観点からは非常に不都合なタイムスケールである。月オーダーの半減期であれば半年程度待てばメンテナンスが可能であるし、10年程度の半減期であればトリチウムの流出量は十分抑えられトリチウムの崩壊か
実験の終了を待つことができる。鉄板の表面を別の金属でコーティングしてトリチウムの流出を促進もしくは抑制できる可能性があり、検討されている。
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| Causes of Carryover |
年間のビーム強度x運転時間は230kWx1.0E7相当であり、目標の750kWx1.0E7相当に達していない。これにより、研究費の使用額を想定よりも少額に抑えることができた。前述した通り、研究の軸足がベリリウム除去からトリチウム対策に移ってきている。特に新希釈排水タンクを用いた処理方法の確立と鉄板からのトリチウム流出、その促進もしくは抑制が新たな課題として浮かび上がってきた。研究費使用計画もこれに合わせて若干の修正を考えている。
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