新たなミュー粒子生成法へ向け原理実証

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高レベル放射性廃棄物低減・資源化の鍵

平成29年12月12日

京都大学
科学技術振興機構(JST)
内閣府政策統括官(科学技術・イノベーション担当)

森 義治 京都大学 原子炉実験所 特任教授、石 禎浩 准教授らのグループは、半減期の長い核種を変換処理するために用いる負の電荷をもつミュー粒子(ミューオン)の生成方式を新たに考案し、その根幹を担うビーム加速の原理実証に成功しました。(図1

原子力発電所などで生じる高レベル放射性廃棄物の処理・処分問題は、日本のみならず世界的な問題です。後の世代への負担を軽減するため、ImPACT藤田プログラムでは廃棄物から有用元素を回収し資源として利用する方法や、長寿命核分裂生成物(LLFP)注1)を取り出し短寿命核種や安定核種に核変換することで放射能を減らす方法を開発しています。

核変換においては、重陽子のようなハドロン注2)ビームを用いた核破砕反応による変換が有効ですが、レプトン注3)の1つである負ミューオンによる核変換処理も、効率の良さと処理後に生成される核種が最終的に非放射性であるという点から注目されています。

負ミューオンを用いる方式の最大の課題はその生成量(強度)です。従来は高エネルギー陽子加速器から取り出されたビームを外部に置かれた標的に当て、そこでつくられた負パイ中間子(パイオン)が崩壊して負ミューオンを生成していました。しかしながらこの方式では、負ミューオンの生成効率が低く、核変換に必要な量の1000分の1程度の負ミューオンしかつくることができませんでした。この問題を解決する方法として考案されたのが、ビーム加速とエネルギー回復によるビーム貯蔵を両立させる、リング加速器での内部標的による負ミューオン生成法MERIT(多重エネルギー回復内部標的法:Multiplex Energy Recovery Internal Target)です。

MERIT方式の根幹技術であるビーム加速とビーム貯蔵のためには、一定磁場での強いビーム集束力と一定周波数の高周波による連続ビーム加速を両立させる加速器の実現が不可欠です。これらを同時に両立させることは従来のリング加速器では困難でした。

研究チームではこの課題を克服するため、固定磁場強集束(FFAG)加速器注4)に、一定周波数の高周波磁場により加速する蛇行加速(Serpentine Acceleration)方式を適用した、従来にないハドロン加速器の研究開発を行い、ビーム加速の原理実証に世界で始めて成功しました。MERIT方式実現への展望が開ける成果です。

本プロジェクトでは、引き続き高効率な負ミューオン生成を可能にするMERIT加速・貯蔵リングの研究開発を進めていく予定です。最終的にはMERIT方式を用いたLLFPの低減・資源化の実現につなげることを目指します。

本研究は、内閣府 総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)の藤田 玲子 プログラム・マネージャーの研究開発プログラム「核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化」の一環として行われました。

本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。

内閣府 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)

URL:http://www.jst.go.jp/impact/

プログラム・マネージャー藤田 玲子
研究開発プログラム核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化
研究開発課題核変換処理のための高効率負ミューオン生成法の研究-加速/貯蔵ERITリングの開発-
研究開発責任者森 義治(京都大学 原子炉実験所 特任教授)
研究期間平成27年4月~平成31年3月

本研究開発課題では、負ミューオン核変換並びにミューオン触媒核融合で生成される中性子による核変換において最も重要な点である高効率な負ミューオン生成を可能とさせるMERIT加速・貯蔵リングの開発研究を行い、負ミューオン核変換によるLLFPの低減・資源化の可能性を開くことを目指しています。

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