核破砕中性子源

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作成： 2000/1/21 山内　良麿データ番号　　　：040160 核破砕中性子源目的　　　　　　：核破砕反応による中性子の発生とその応用放射線の種別　　：陽子,中性子,軽イオン放射線源　　　　：サイクロトロン、シンクロトロン利用施設名　　　：ローレンスバークレー研究所184インチサイクロトロン、CERN-PS, LEAR/CERN 照射条件　　　　：大気中応用分野　　　　：核物理、核融合技術、中性子計測、核医学概要　　　　　　：　核破砕中性子源は、加速器からの高エネルギー粒子を原子核に衝突させて、大量の中性子を発生させる核破砕反応に基づく中性子源である。エネルギー数GeVの陽子、重陽子やπ中間子を用いた中性子多重度等の測定が進められ、また高エネルギー核反応理論による考察も行われて、中性子の発生メカニズムや中性子源特性が調べられている。核破砕中性子源の応用例として、核エネルギーの発生や放射性廃棄物の消滅処理が提案されている。詳細説明　　　　：　核破砕反応は、相対的に高いエネルギーを持つ陽子や重陽子などの粒子が原子核に衝突して、原子核から複数個の陽子や中性子、または複合粒子の重陽子やヘリウム、場合によっては中間子を叩き出す反応を言う。核破砕中性子源はこのような反応からの中性子を利用する中性子源である。　非常に厚い(～100g/cm²)ターゲットに、GeV程度のエネルギーを持つ粒子を入射させると、核との相互作用を起こして、核子や複合粒子のほかにπ中間子やK中間子が作られ、これらが厚いターゲット中で引き続いて起こる反応に重要な役割をはたす。入射粒子は次々にいくつかの核子と衝突して、ついにはそのエネルギーの大部分を失い、一方原子核はそのエネルギーをもらって全体として励起された状態になる。核破砕中性子源は、重い核の中での入射粒子によって誘起される熱励起と数MeVのエネルギーを持つ中性子の蒸発による核の崩壊を利用する。最初の励起過程で放出される数100MeVのエネルギーの高い粒子(主に核子だがπ中間子、K中間子、複合粒子など)は厚いターゲット中の別の核において二次反応を引き起こし、次々に中性子を放出する。　これらの過程はintranuclear cascade 模型とinternuclear cascade 模型によって記述される。これらの模型についてはリエージュ大学のJ.Cugnonらの考察がある。このような模型を検証するためには、入射粒子当たりに放出される中性子の平均の数を調べるだけではなく、中性子多重度分布を調べる必要がある。ケント州立大学のF.M. WatermanらはLBL(Lawrence Berkeley Laboratory)の184インチサイクロトロンを用いて724MeVの陽子をBeと Cuに入射させ、0゜での中性子スペクトルを測定して、intranuclear cascade 模型との比較を行った。図1に実験で得られた中性子スペクトルと模型による計算結果との比較を示す。図1　Measured spectrum of neutrons emitted at 0゜from 724-MeV proton bombardment of copper. The histogram is the spectrum predicted by the intranuclear cascade model for secondary neutrons emitted in the angular interval from 0 to 5゜. The measured spectrum is normalized to the predicted cross section above 200 MeV. （原論文1より引用。　Reproduced, with permission, from F.W.Waterman, R.Madey, Phys. Rev., C, vol.8, 2419 (1973), Figure 6 (Data source 1, pp.2423), Copyright (1973) by the American Physical Society.）　ハーンマイトナー研究所のL.Pienkowskiらは、直径8-15cmで、長さ0.2-40cmの円柱状のPb, Ag, Ho, Au,　劣化ウランターゲットに2-5GeVの陽子、反陽子、π中間子、重陽子等を入射させて核破砕反応の中性子多重度分布を測定した。入射粒子の発生にはCERN-PS(proton synchrotron)からの26GeVの陽子とLEAR/CERN(low energy antiproton ring)からの陽子を使用し、4π 中性子検出器 BNB (Berlin Neutron Ball)を用いて中性子の測定を行った。　図2に劣化ウランに陽子が衝突したときの中性子多重度分布を示す。図2　Measured neutron multiplicity distributions for p+U. The depleted U target was 40 cm long with a diameter of 8 cm. At 3.17 and 4.15 GeV the U bar was surrounded by a 38 cm long lead cylinder with an inner and outer diameter of 8 and 15 cm, respectively. The solid lines are fits with a Gaussian distribution, the parameters are given in Table I. （原論文2より引用。　Reproduced, with permission, from L.Pienkowski et al., Phys. Rev., C, vol.56, 1909 (1997), Figure 3 (Data source 2, pp.1912), Copyright (1997) by the American Physical Society.）　図3はPbターゲットに各種粒子が入射したときの平均中性子多重度である。4.15GeVの陽子が1個Pbターゲットに入射すると約60個の中性子が発生する様子がわかる。図3　Mean neutron multiplicity < M_n > for incident protons p⁺, pions π^±, deuterons d⁺, and antiprotons p^- as a function of incident kinetic energy on a 35 cm long lead target with a diameter of 15 cm. The mean neutron multiplicity has been corrected for a mean efficiency of ε=0.85. The curves connect the data points. For antiprotons p^- the smaller filled squares are plotted also at the available incident energy, see text. The filled and open triangles display < M_n > and M_n^m^a^x, respectively, for thin (2 to 5 mm) Pb targets. The dashed vertical bars at the open triangles indicate the widths σ of the Gaussian fit. （原論文2より引用。　Reproduced, with permission, from L.Pienkowski et al., Phys. Rev. C, vol.56, 1909 (1997), Figure 7 (Data source 2, pp.741), Copyright (1997) by the American Physical Society.）　核破砕中性子源を有効に利用する一つの例として、ロスアラモス国立研究所のC.D.Bowmanらは、加速器で作られた10¹⁶n/(cm² s )程度の熱中性子束を使った²³²Thまたは²³⁸Uからの核エネルギーの発生と高アクチナイド放射性廃棄物の核変換の新しい方法について提案している。²³²Thは数1000年にわたる世界のエネルギー需要に合う充分な量がある核燃料である。長い半減期の高レベル放射性廃棄物の出ない商業的核エネルギーの発生と大型熱中性子炉で現在得られる典型的な値の約100倍の強度の中性子束は、最近の陽子ライナック技術の進展と核破砕ターゲットモデレーターの設計によって現実のものとなった。この方式では加速器が臨界以下での系の運転を可能にするので臨界事故の起こることはなく、制御棒も不要である。エネルギー発生と放射性廃棄物核変換のこの新しい方法を上手に進めて行けば、地質年代的な時間尺度の放射性廃棄物の貯蔵の必要性も無くなり、長い半減期の高レベル放射性廃棄物なしに商業的な核エネルギー発生が可能であると述べられている。コメント　　　　：　核破砕中性子源は高エネルギー粒子を用いて、大量の中性子が得られる極めて有用な中性子源である。今後加速器技術の進展とターゲットデザインの改良開発によって一層強力な中性子源として利用できることが期待される。応用としての物理、核変換、エネルギー増幅分野の内、熱中性子炉から出る長半減期放射性廃棄物の核破砕中性子源を用いた核変換による消滅処理には世界的関心が集まっている。利用に当たっては高エネルギー加速粒子を使用するので大加速器施設での利用に限られることを考慮しておく必要がある。原論文１ Data source 1： Neutron Spectra at 0゜from 724-MeV Protons on Be and Cu F.M.Waterman and R.Madey Department of Physics, Kent State University, Kent, Ohio 44242 Physical Review, C, vol.8 (1973) 2419-2424 原論文２ Data source 2： Neutron multiplicity distributions for 1.94 to 5 GeV/c proton-, antiproton-, pion-, kaon-, and deuteron-induced spallation reactions on thin and thick targets L.Pienkowski, F.Goldenbaum, D.Hilscher, U.Jahnke, J.Galin^*⁾ and B. Lott^*⁾ Hahn-Meitner-Institut Berlin, Glienickerstrasse 100, D-14109 Berlin, Germany: *)GANIL (IN2P3-CNRS, DSM-CEA), BP 5027, F-14021 Caen-Cedex, France Physical Review, C, vol.56 (1997) 1909-1917 原論文３ Data source 3： Nucleon and deuteron induced spallation reactions J.Cugnon, C.Volant^*⁾, S.Vuillier^*⁾ University of Liege, Physics Department, B5, B-4000 Sart-Tilman Liege 1, Belgium; *)CEA DAPNIA/SPhN, CE Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France Nuclear Physics, A 625 (1997) 729-757 原論文４ Data source 4： Nuclear energy generation and waste transmutation using an accelerator-driven intense thermal neutron source C.D.Bowman. E.D.Arthur, P.W.Lisowski, G.P.Lawrence, R.J.Jensen, J.L.Anderson, B.Blind, M.Cappiello, J.W.Davidson, T.R.England, L.N.Engel, R.C.Haight, G.H.Hughes Ⅲ, J.R.Ireland, R.A.Krakowski, R.J.LaBauve, B.C.Letellier, R.T.Perry, G.J.Russell, K.P.Staudhammer, G.Versamis and W.B.Wilson Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, U.S.A. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A320 (1992) 336-367 キーワード：核破砕中性子源、中性子、中性子多重度分布、中性子スペクトル、核変換 spallation neutron source, neutron, neutron multiplicity distribution, neutron spectrum, transmutation 分類コード：040101, 040103, 040301
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