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1 宇宙核物理連絡協議会主催第 2 回研究戦略ワークショップ 日本の核データ ~ 天と地の核エネルギー 革新的原子力システム開発 のための中性子核データ測定 原田秀郎 Japan Atomic Energy Agency harada.hideo@jaea.go.jp 宇宙核物理連絡協議会 理研 1

2 序論 革新的原子力システムと中性子核データ中性子核データの現状中性子核データ測定の難しさ 誤差低減に向けた実験的取り組み - 中性子捕獲断面積測定を中心に- 中性子源中性子捕獲反応用検出器系原子炉中性子を用いた測定独立測定の重要性 今後の展望 宇宙核物理連絡協議会 理研 2

3 革新的原子力システムとは 革新的原子力システム : 革新的な原子炉及び核燃料サイクル 現行の軽水炉システムの持つ限界を超える (1) 核燃料資源の有効利用高速増殖炉サイクルの実用化 (2) 電力需要及び設備投資に対する柔軟性小型モジュール炉等 (3) 経済性の大幅な向上高燃焼度化による燃料サイクル費の低減等 (4) 原子力エネルギーの多様な利用水素製造等 (5) 優れた安全性 (6) 環境負荷の低減長寿命核種の核変換等 (7) 核拡散抵抗性の向上 MA/FP 等放射性核種の混入等 各種コンセプト : 原子力委員会研究開発専門部会革新炉検討会平成 14 年 11 月 7 日 宇宙核物理連絡協議会 理研 3

4 どのくらいの精度の中性子核データが求められているのか OECD/NEA Report (2008), NEA/WPEC 26より Uncertainty y and Target Accuracy Assessment for Innovative Systems using Recent Covariance Data Evaluations 各革新的原子力システムの開発に求められる核データ精度についての報告 加速器駆動 MA 燃焼システムの場合の要求精度例 : 244 Cm 核種 核データの種類 重要エネルギー領域 現状精度 (%) 要求精度 (%) 中性子捕獲断面積 9 kev ~ 498 kev Cm 核分裂断面積 67 kev ~ 6 MeV 45 2 核分裂当り中 ~ 10 1 性子発生数 183 kev 6 MeV 宇宙核物理連絡協議会 理研 4

5 中性子核データの現状 実験データと評価データの関係 Thermal neutron capture cross section References 107 Pd(n, γ) Exp Eva 1 Eva 2 J, NST, 44, 103 (2007) 9.16 ± 0.27 b Mughabghab(1981) 18± 1.8 ± 02b 0.2 Mughabghab(2006) 2.54 ± 0.20 b JENDL 3.3 (2002) b 宇宙核物理連絡協議会 理研 5

6 中性子核データの現状 Examples of Uncertainties in Evaluation 評価データの誤差 Rf References 244 Cm(n, f) 237 Np(n, γ) MeV MeV J. NSE, 146, % 15 % 2004 ANL JENDL JAEA 7.7 % 3.4 % 宇宙核物理連絡協議会 理研 6

7 中性子核データの現状 実験データの現状 2.0 b] Np(n, γ) 238 Np Stupegia 1967 Weston 1981 Trofimov 1983 Buleeva 1988 Esch 2008 Cros ss Section [ 1.0 ENDF/B VII JENDL /AC 2008 JENDL x10 5 3x10 5 4x10 5 5x10 5 Energy [ev] 宇宙核物理連絡協議会 理研 7

8 Uncertainties in Experiments Realistic Uncertainties Reported Uncertainties Statistical Uncertainty Systematic Uncertainties(Recognized) Systematic Uncertainties(Unrecognized) 宇宙核物理連絡協議会 理研 8

9 放射性核種の中性子核データ 測定は何故難かしいのか Intense radiation background from radioactive sample: an example neutrons φ ε detector sample (n, γ) α 237 Np T 1/2 = yr 1g of 237 Np: 26 MBq 233 Pa β (MeV) T 1/2 = 27 d Y reaction = σ φ Ν Ν Τ Τ ε r σ φ = 1[b] 10 6 [n/cm 2 /s] = [1/s] Y decay = λ Ν Τ ε d λ = ln2/ T 1/2 ( yr) = [1/s] Simplified estimation β U T 1/2 = yr Np 宇宙核物理連絡協議会 理研 9

10 誤差低減に向けた実験的取り組み - 中性子捕獲断面積測定を中心に - I Neutron sources Pulsed neutrons and reactor neutrons II Detectors C 6 D 6, NaI, 4π detectors, and new scintillators IIITraditional and New Methods Activation methods Inverse reactions, Surrogate reactions, (( 略 ) 宇宙核物理連絡協議会 理研 10

11 Neutron Sources Accelerator: Electron beam a (γ, n) reaction ~0.3n/GeV High energy proton beam a Spallation reaction ~ 25n/GeV Low energy proton beam a 45 Sc, 7 Li, T(p, n) reactions* Reactor: Thermal reactor Fast reactor a High Flux * sc.jaea.go.jp/rphpwww/senryo/index2.htm t j / h / /i 宇宙核物理連絡協議会 理研 11

12 Pulsed neutron sources used for TOF Facility Reference IRMM, GELINA ND2007, p.563 Beam energy Electron 100 MeV Beam power n Intensity Beam pulse width Pulse per sec Flux 6 kw 1 ns m ORNL, ORELA Electron 5 kw 8 ns ND2007, p MeV n/s m Kyoto, e Linac Electron 1 kw 100 ns ND2007, p MeV m CERN, n TOF ND2007, p.537 Proton 20 GeV 9 kw n/s 6 ns 04Hz n/cm m LANL, Lujan ND2007, p.415 J PARC, MLF (Expected) Proton 0.8 GeV Proton 3 GeV 80 kw 135 ns m 1 MW ~10 17 n/s ~100 ns 25 Hz ~10 9 n/cm 2 22 m 宇宙核物理連絡協議会 理研 12

13 Pulsed neutron J PARC MLF, BL04: NNRI (Neutron Nucleus Reaction Instrument) First Beam: May 30, parc.jp/index e.html news/pdf91/no91 04.pdf jp p p 宇宙核物理連絡協議会 理研 13

14 Nuclear Data J PARC parc.jp/matlife/en/instrumentation/bl04/bl04.html 宇宙核物理連絡協議会 理研 14

15 Nuclear Data J PARC Cluster Detector BGO Detector 244 Cm, T 1/2 =18.1 years 0.6 mg, 1.8 GBq Beam Power 20kW neutron Prompt γ 略 244 Cm の TOF スペクトル BGO Detector Cluster Detector 本研究は 特別会計に関する法律 ( エネルギー対策特別会計 ) に基づく文部科学省からの受託事業として 北海道大学が実施した平成 21 年度 高強度パルス中性子源を用いた革新的原子炉用核データの研究開発 の成果です 宇宙核物理連絡協議会 理研 15

16 Detectors for Capture Detectors for Capture in combination withpulseheight WeightingTechnique C 6 D 6 a low neutron sensitivity NaI a good energy resolution Ge a high energy resolution, γ spectroscopy Dt Detectors t for Capture : 4π type dt detectort BaF 2 a high efficiency, highly segmented BGO a high efficiency Ge a high energy resolution, γ spectroscopy New scintillators a LaBr 3 (Ce), LaCl 3 (Ce) 宇宙核物理連絡協議会 理研 16

17 Detectors for Capture in combination withpulseheight WeightingTechnique C 6 D 6 a low neutron sensitivity J.L. Tain (n TOF): Accuracy of the pulse height weighting technique for capture cross section measurements, n_tof Internal Note IFIC A. Borella et al.(irmm): The use of C 6 D 6 detectors for neutron induced capture cross section measurements inthe resonance region, NIM A577 (2007) 626. a σ cap can be deduced with an uncertainty of 2 % NaI a good energy resolution low background 7 Li(p, n) 7 Be kev (Ep=1.905MeV) available at JAEA Tokai llowed/15/ccri(iii)03 07.pdf 6 LiH Pb NaI See also M. Igashira et al., ND2007, p.616, p.1299 (Tokyo Tech.) 宇宙核物理連絡協議会 理研 17

18 Detectors for Capture : 4π type detectors BaF 2 a high efficiency, highly segmented TAC (n TOF) ND2007, p.595, p.627 DANCE (LANL) ND2007, p.415, p.491, p.607 BGO a high efficiency Ge a high energy resolution, γ spectroscopy py discrimination levels for 10 B sample Au sample 480 kev γ - rays 10 B sample Counts / cha annel Natural γ - background peaks MeV ( B n, 198 Au ) The 8.54 l BGO 16-section scintillation detector: NIM A (2004) 269 Used for 237 Np(n, γ): JNST 42 (2005) 135 Energy (MeV) discrimination levels for Au sample 宇宙核物理連絡協議会 理研 18

19 LaBr 3 (Ce) を用いた中性子捕獲断面積測定用スペクトロメータの基盤技術開発 LaBr 3 (Ce) 検出器の基礎特性試験 48 Ti(n, γ) 反応の即発ガンマ線波高スペクトル 略 本研究は 科学研究費補助金 ( 基盤研究 (B)) 核変換研究のための高速中性子捕獲微分断面積の高精度測定技術の開発 の成果です 宇宙核物理連絡協議会 理研 19

20 LaBr 3 (Ce) を用いた中性子捕獲断面積測定用スペクトロメータの基盤技術開発 高速パルス中性子ビーム LaBr 3 (Ce) シンチレーション検出器 エネルギー分解能の測定結果 略 遮蔽体 サンプル 詳細シミュレーション 本研究は 科学研究費補助金 ( 基盤研究 (B)) 核変換研究のための高速中性子捕獲微分断面積の高精度測定技術の開発 の成果です 宇宙核物理連絡協議会 理研 20

21 原子炉中性子を用いた測定例 High Flux a multiple li l neutron capture reactions 237 Np σ + n T 1/2 = y No Data! 238 Np +n T 1/2 =2.117 d Short Half life! β β 985 kev 239 T = d Np 1/2 β β 278 kev 238 Pu T 1/2 = y 239 Pu T /2 = y 宇宙核物理連絡協議会 理研 21

22 Example: Advantage of reactor neutrons multiple li l neutron capture reactions Coun nts / Chan nnel Count Rate (1/sec) Np 278 kev decay curve T 1/2 =2.38 ±0.04 days Time ( hours) 238 Np Spectrum from the irradiated 237 Np sample Channel Number σ=479± 24 [b] : 238 Np(n, γ) for thermal neutrons H. Harada et al., J. Nucl. Sci. Technol., 41 (2004) 1. 宇宙核物理連絡協議会 理研 22

23 Prompt γ spectroscopy using reactor neutrons Prompt γ No Decay Stable p// jp/ Reactor Neutron Guide Sample 20 MW JRR JAEA Thermal & Cold neutron Guide lines available 1 MW Kyoto reactor will be also available Half life Previous data JAEA data References 1.3 < σ Zr y 0 < 4 b σ 0 =0.63±0.02 b JNST, 44, 21 (2007) (Pomerance 1952) (Lower Limit) 1.8±0.2 b σ =9.16±0.27 b 107 Pd y JNST, 44,103 (2007) (Mughabghab 1981) (Lower Limit) See also T. Belgya et al., ND2007, p.631 for 129 I, J.L. Weil et al., ND2007, p.611 for 99 Tc 宇宙核物理連絡協議会 理研 Budapest Hungary 23

24 独立測定の重要性 Pulse Height Weighting 法と 4π type detectorを利用した測定の相互比較 + n Prompt γ Absolutely independent measurements Activation Decay γ β β Neutron capture cross section of 237 Np for thermal neutrons Authors σ (year) 0 (b) Methods Harada et al. Activation, 169±4 (2006) α & γ Katoh et al. (2003) Kobayashi et al. (1994) Jurova et al. (1984) Schuman et al. (1969) Tattersall et al. (1960) Smith et al. (1957) Brown et al. (1956) 141.7±5.4 Activation, γ 158±3 Activation, γ 158±4 Activation, γ 185±12 Activation, α 169±3 170±22 Pile Oscillation σ TOT - σ SCA (CAL) 172±7 Activation, α 宇宙核物理連絡協議会 理研 24

25 今後の展望大強度中性子源 革新的検出器群 精密シミュレーション技術 独立測定相互比較により 統計誤差 系統誤差を絞り込み MA,FPを中心に中性子核データの高精度化を達成することが 当該分野の挑戦的課題である 原子核理論計算 中性子核データ測定 大強度中性子源革新的検出器群精密シミュレーション技術独立測定相互比較 宇宙核物理連絡協議会 理研 25

26 宇宙核物理連絡協議会 理研 26

W 1983 W ± Z cm 10 cm 50 MeV TAC - ADC ADC [ (µs)] = [] (2.08 ± 0.36) 10 6 s 3 χ µ + µ 8 = (1.20 ± 0.1) 10 5 (Ge

W 1983 W ± Z cm 10 cm 50 MeV TAC - ADC ADC [ (µs)] = [] (2.08 ± 0.36) 10 6 s 3 χ µ + µ 8 = (1.20 ± 0.1) 10 5 (Ge 22 2 24 W 1983 W ± Z 0 3 10 cm 10 cm 50 MeV TAC - ADC 65000 18 ADC [ (µs)] = 0.0207[] 0.0151 (2.08 ± 0.36) 10 6 s 3 χ 2 2 1 20 µ + µ 8 = (1.20 ± 0.1) 10 5 (GeV) 2 G µ ( hc) 3 1 1 7 1.1.............................

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