J-PARC大型核破砕パルス中性子源

J-PARCセンター 勅使河原

200m

物質・生命科学 実験施設（MLF)

リニアック

3GeVシンクロトロン

50GeVシンクロトロン ・1MW短パルス核破砕中性子源 ・米Ornl SNS (1.4MW)と競合

加速器運転実績

・2012 300KW運転 ・2013 Linac 400MeV増強 ・2014 1MW定格出力へ

東日本大震災

水銀ターゲット

水素モデレータ

陽子ビーム (1MW, 25Hz)

超臨界水素循環システム

中性子ビーム（２３ビームライン）

中性子ビームシャッター

物質・生命科学実験施設内部

高分解能型チョッパー分光器 (KEK)

新材料解析装置(JAEA) 高性能試料水平型反射率計 (KEK)

ナノ構造解析装置 (JAEA：共用)

低エネルギー分光器 (JAEA)

中性子源特性試験装置 (JAEA)

4次元空間中性子 探査装置

（JAEA, KEK, 東北大）

茨城県材料構造解析装置 (茨城県)

超高分解能粉末回折装置 (KEK)

超高圧高温物質科学ステーション (東大, JAEA)

建設中

高強度汎用全散乱装置

（NEDO, KEK）

ダイナミクス解析装置(JAEA：共用)

● 稼働中

階層構造解析装置 (JAEA：共用)

物質構造解析装置 (JAEA：共用)

特殊環境下回折装置 計画中 (KEK,京大,NEDO)

建設中

● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中 茨城県生命物質構造解析装置 (茨城県)

中性子核反応測定装置

（東工大, JAEA, 北大)

中性子光学基礎物理実験装置 (KEK)

建設中

● 稼働中

● 稼働中 建設中 建設中

建設中

● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中

● 稼働中

物質・生命科学実験施設 実験装置一覧

・１８本BL 稼動・建設中 （共用BL：5本）

核破砕中性子源の構成

・水銀ターゲット：中性子発生 ・モデレータ：中性子の減速 ・液体水素(20K) ・３台設置 ・反射体：Be反射体

0 20cm 5m

水銀ターゲット

中性子ビーム

Be反射体

陽子ビーム (1MW, 25Hz)

非結合型 モデレータ

ポイゾン型 モデレータ

結合型 モデレータ

反射体プラグ

ターゲット台車

ターゲットステーション断面図

*ターゲット容器 （２回/1年）

モデレータ(1回/6年） ・結合型モデレータ（CM） ・非結合型モデレータ（DM） ・ポイゾン型モデレータ（PM）

陽子ビーム窓 （１回/２年）

反射体 (1回/6年）

取り出し方向

取り出し方向

機器保守 -遠隔保守の対象・頻度-

・構造材の放射線損傷のため

機器交換 （０）ベッセル内空気置換 水素、冷却水ドレン 天井遮蔽体取外 （１）水冷配管、水素配管取外 （２）使用済み機器の 乾燥装置室へ移送 （３）新規モデレータ・反射体 のベッセルへの移送、設置

ベッセル上部、乾燥室作業 →人手作業（遠隔ではない） →配管着脱作業時、 ・内部被ばく：トリチウム ・外部被ばく：100μSv/hr（設計線量） ホットセル内作業 →遠隔操作

機器搬出 （I）配管内冷却水乾燥 （II）ホットセルへ移送 （III）使用済み機器の取り出し （IV）使用済み機器の切断、収納、保管 （V） 遮蔽付キャスク収納 （VI）施設外へ移送

移送キャスク

ベッセル 機器交換 機器搬出

放射化機器保管室

使用済み機器の保守シナリオ

モデレータ・反射体及びプラグ分離構造

外部プラグ(15トン)

結合型モデレータ(0.3トン)

非結合型 モデレータ (0.3トン)

ポイゾン型 モデレータ(0.3トン)

反射体(4.5トン)

内部プラグ(15トン)

・独立に交換

・使用済み機器の移送 ・設計表面線量 : 1mSv/hr ・グリッパ：つかみ・はなし （遠隔接続） ・下部遮蔽：下方へのγ線遮蔽 ・重量 : ~130 ton （最大） (使用済機器込み) ・移送 : 130t クレーン

移送キャスク

セル内遠隔操作機器

・コールド試験で実証済み

耐放射線性：1 MGy

外部プラグ受台

保管ラック

内部プラグ受台

減速材等交換装置

切断装置

中性子源の特長 -３種類のモデレータ-

パルス中性子ビーム

Cdポイゾン板 Be

○ポイゾン型 ・超高分解能型（早い時間 減衰且つ狭いパルス幅） ・Cdポイゾン ・実用化に成功 ・Ag-In-Cdデカップラ

○非結合型 ・高分解能型（早い時間減衰） ・Ag-In-Cdデカップラ ・実用化に成功

Ag-In-Cdデカップラ Be

10 cm

○結合型 ・高強度（ピーク強度）型 ・独特な形状（円筒） ・大きな中性子ビーム 取り出し角→最もビーム数が多い

Be

・世界最大強度、最高性能

時間平均中性子強度

・米Ornl SNS(1.4 MW)を凌駕！！ ・原子炉中性子、JRR-3Mも凌駕！！

パルスピーク強度

4.5倍

40倍

・米Ornl SNS(1.4 MW)の4.5倍 ・ILLの40倍

(結合型)

T. Kai, et al., NIM A

523 (2004) 398. M. Harada, et al., NIM A

539 (2005) 345.

非結合型 結合型

・液体水素：放射線損傷がない →MWで唯１つ

・パラ水素の特性を利用

大強度の冷中性子用 モデレータ材

・100%パラ水素に最適化

Para H2 Ortho H2

J=0

Energy(meV) J=2

J=1 45.24

50

0

・冷中性子化：エネルギー交換 （パラ→オルソ）

急激な減少 → ・シャープ化 ・高強度化 （大容量サイズ）

・シャープ化：急激な断面積の減少 →高強度化：大容量化

10 cm

結合型モデレータ

・高強度（ピーク強度）型 ・独特な形状（円筒） →パラ水素の最適化 ・大きな中性子ビーム 取り出し角 →最もビーム数が多い

内部構造

Be

Al合金 (A6061-T6)

L-H2

0

5

10

15

20

J-PARC SNS, US ISIS-TS2, UK

Ne

utr

on

in

ten

sity p

er

pu

lse

(x1

01

2 n

/sr

pu

lse

)

30

0kW

1M

W

1MW

2010

48

kW

2012

・パルスあたり世界最大強度

欧州ESS計画

米国SNS２期計画

中国中性子源

世界の標準

非結合型モデレータ

・高分解能型（早い時間減衰） ・パラ水素に最適化 ・Ag-In-Cdデカップラの採用

Ag-In-Cd デカップラ (3mmt)

デカップラ ?

・熱中性子吸収材 → パルスの早い時間減衰 （モデレータに流入する 遅い中性子を吸収）

熱間等方圧加圧法 (HIP)を 用いた接合材開発

Ag-In-Cd デカップラ

・Ag-In-Cd (AIC) に着目 ・PWRの制御棒で実用 ・高い中性子吸収エネルギー (Ed=1eV) ・ユーザーの要求

・5W/cm3に及ぶ核発熱 ・構造材のAl合金と接合 ・接合強度>30MPa

HIP条件：100MPa, 530℃, 1hr

Good fit (3D-NC machining) → very small deformation ( < 0.2mm)

AIC (3mmt)

HIPによる接合材開発 ・接合材の開発に成功 ・接合強度>50MPa ・AICを実用化

ポイゾン型モデレータ

・超高分解能型 ・Cdポイゾン ・Ag-In-Cdデカップラ

Ag-In-Cd デカップラ(3mmt)

Cd ポイゾン

・Cd ポイゾン板(1.3mmt)

・アルミ被覆

ポイゾン？

・狭いパルス幅 ・モデレータ内に挿入 ・モデレータ厚さ →パルス幅 ・短波長(0.6Å)まで拡張 ・非対称挿入 →髙分解能に最適化

J-PARC: d/d = 0.035 % (to be 0.030 % after tuning)

これまで: d/d = 0.05 % (ISIS facility / UK)

世界最高分解能の達成

Sirius

KENS / KEK

SuperHRPD (BL08)

JSNS / J-PARC

・Ramman spectroscopy ・JASCO:NRS-5100 ・Measurement error：

Why para H2 fraction measurement

（１）Confirmation of moderator design ・Pulse characteristics ・Performance of para converter （２）Para to Ortho conversion due to high neutron irradiation field →Affect on pulse characteristics （３）First trial in MW facility

Sampling of super critical H2

How to sample?

・First trial in actual operating source ・we must not affect beam operation

Super critical H2 ・Ｃold : 20K, ・High pressure : 1.5 MPa

・Raman spectroscopy ・Glass cell

Para H2 measurement

Glass cell

・~0.1MPa ・Gas H2

・2 stage buffer → gaseous、reduction of pressure (1/100) ・Intermittent H2 introduction

Pump

Accum

ura

tor

He blanket Vacuum

H2 circulation loop

H2：20K, 1.5MPa, 162g/s

CM

DM

PM

Hea

ter

Temperature： ・T142 ・T7014

V142

H2 sampling

Buffer (10L)

Second buffer Vol.：10L

V143 First buffer Vol.：100mL

Pressure：P7001

Para converter

Off beam

Ramman spectroscopy

・20K, 3 glass cells No.1 100.0% ±0.4% No.2 98.7% ±0.4% No.3 99.6% ±0.4%

・20K, 3 glass cells No.1 99.7% ±0.4% No.2 99.7% ±0.4% No.3 99.7% ±0.4%

・300kW on beam ・2012. 7. 2(Run 43)

Para H2 fraction measurement

Normal H2(300K） Para: Ortho

25:75

On beam (300kW)

まとめ

・世界最大強度、最高分解能を達成

・Ag-In-Cdデカップラの実用化 ・Cdポイゾンの実用化

・大規模施設でのパラ水素採取測定の実現

・300kWのビーム強度はパラ→オルソ変換に寄与しない

・