| 研究課題/領域番号 |
18K03682
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
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, 准教授 (30213896)
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| 研究分担者 |
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) [辞退]
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, 講師 (70290856)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | J-PARC / ニュートリノ / トリチウム / ベリリウム / 大強度陽子ビーム |
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| 研究実績の概要 |
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。
2020年度は、2019年度と同じビーム強度約510kW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0.47E20POT(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23kW相当のビーム強度に匹敵する。ビーム強度は前年度と変わらなかったもののビーム時間の減少により、前年度の4.77E20POTを大きく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。2020年度は、2019年度に引き続き、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。しかしながら、有意な量の54Mnが排水中に含まれているという指摘を受けた。54Mnの除去は今後の課題である。
残ったもう１つの懸案は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。2020年度は3平日に1回の排水を33回行い、タンクローリーによる放射化水引取も加え106.5GBq相当の3Hを処理した。処理能力の限界に対応するため、ニュートリノ第２設備棟を増設して、252m^3の希釈排水タンク2基を建設中である。このタンクの使用手順の詳細について検討中である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
1年間のビーム強度x運転時間は23kWx1.0E7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。
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は、いろいろな検討がなされた。鉄板からのトリチウムの流出はトリチウムが鉄板の中をどの程度の速さで移動するかを示すパラメータ(diffusivity)と、金属表面に達したトリチウムがどの程度鉄板と接する水・水蒸気との間で水素-トリチウム交換を行うチャンスがあるかを示すパラメータ(solubility)に依存する。
さまざまな検討の結果、鉄板中のdiffusivityは極めて大きく、トリチウムは1ヵ月で平均約7cmの距離を移動すると考えられる。これは典型的な鉄板の厚さ5cmよりも大きく、トリチウムは容易に鉄板表面に到達できるであろうと思われる。従ってトリチウムの鉄板からの流出のタイムスケールが実効的は半減期約1年と長いのはトリチウムが鉄板表面に到達しても鉄板に接する水・水蒸気との水素-トリチウム交換の頻度によるものであると考えらる。一方、Fermilabで観測された鉄板温度が100℃程度まで上昇するとトリチウム流出が増大する現象はsolubilityの温度依存性で説明できることが判った。
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| 今後の研究の推進方策 |
ハイパーカミオカンデ実験が建設中である。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252m^3の希釈排水タンク2基の建設が2021年度末に終了することである。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。2021年度には、鉄板・酸化被膜のついた鉄板・アルミ板をニュートリノビームラインでビームに晒して回収予定である。これを水に浸してトリチウムの水への流出を測定することを計画している。この測定で水へのトリチウム流出の有意な測定結果が得られるようであれば、引き続き別の金属でコーティングした鉄板等を用いてトリチウムの流出測定を行う予定である。
一方、ターゲットステーション棟やニュートリノ第３設備棟から排気される放射化空気に関して、そのモニタや管理を放射線管理セクションから引き継ぐことになり、そのシステムを構築中である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
年間のビーム強度x運転時間は23kWx1.0E7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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