핵 변환 연구를 위한 바카라 사이트빔 제어 기술 개발
-소전력 바카라 사이트빔 추출 기술 확인 테스트 성공-

[요약]

일본원자력기구(회장: 고다마 도시오, 이하 "JAEA") 연구 소장 타케이 사아노리와 그의 그룹은 실험의 필요에 따라 고출력 바카라 사이트빔에서 다양한 저전력 바카라 사이트빔을 안정적으로 추출하는 기술을 개발했습니다 이번에 이 기술을 빔에너지 300만전자볼트(3메가전자볼트, 3MeV)의 바카라 사이트 가속기에 적용해 다양한 출력을 갖는 바카라 사이트빔 추출에 성공했다

J-PARC 센터는 원자력 발전소에서 발생하는 방사성 폐기물의 양과 독성을 효율적으로 줄이기 위해 노력하고 있습니다가속기 구동 변환 시스템(ADS, 참고 1)변환 실험 시설(TEF, 참고 2)TEF는타겟 테스트(참고 3)네핵변환 대상 방사성 물질(주 4)변환 특성 테스트(참고 5)등

TEF는 현재 건설을 위한 설계 단계에 있지만 표적 테스트를 위해 4억 전자 볼트(400 메가전자 볼트, 400 MeV)의 에너지를 가진 고출력 바카라 사이트 빔을 공급할 예정입니다 또한 핵변환 특성을 테스트하기 위해 4억 전자볼트의 동일한 에너지를 가지지만 출력은 매우 작은 바카라 사이트 빔을 공급할 계획입니다

특히 변환 특성 테스트에는 빔 강도와 지속 시간이 다양한 바카라 사이트 빔이 필요합니다 이를 위해서는 J-PARC의 특징인 고출력 바카라 사이트빔에서 최대 1/25,000이라는 극히 작은 출력의 바카라 사이트빔을 추출해야 한다

그래서 연구 그룹은레이저를 이용한 바카라 사이트빔 진단 기술에 중점을 두고, 다수의 고출력 레이저 광원을 선택적으로 사용하여 바카라 사이트빔의 출력을 제어하는 독특한 기술을 고안했습니다 안정적인 저전력 바카라 사이트빔을 추출하기 위해 바카라 사이트빔과 레이저광이 전자석 내에서 충돌할 수 있도록 하면서 충돌 지점에서 레이저광의 위치를 ​​고정밀도로 제어하는 ​​시스템을 구축했습니다

이 기술을 빔 에너지 300만 전자볼트의 바카라 사이트 가속기와 결합하여 핵변환 특성을 테스트하는 데 필요한 저전력 바카라 사이트 빔을 안정적으로 추출하는 데 성공했습니다 또한 추출된 바카라 사이트빔의 출력이 이론적으로 예측된 ​​값과 일치함을 확인했습니다

이 기술로우리는 J-PARC를 사용하여 ADS 연구 및 개발을 촉진하는 데 획기적인 성과를 거두었습니다 향후에는 초단펄스 바카라 사이트빔, 저전력 장펄스 바카라 사이트빔 등 다양한 빔 용도의 개발이 더욱 이어질 것으로 기대된다

이 결과는 12월 14일 월요일 15시(일본 시간)에 Journal of Nuclear Science and Technology 온라인판에 게재되었습니다

[연구 배경]

ADS 개발의 표적 테스트에는 초고출력 바카라 사이트 빔이 필수적이지만, 핵 변환 대상인 방사성 물질을 사용한 변환 특성 테스트에는 400MeV 에너지의 초저전력 바카라 사이트 빔이 필요합니다 특히, 핵변환 특성을 시험하기 위해서는 빔 에너지의 변화 없이 조사빔의 세기와 지속시간을 임의로 변화시킬 수 있는 바카라 사이트빔이 요구된다

실험에 상당히 다른 바카라 사이트 빔 출력이 필요한 경우 일반적으로 두 개의 독립적인 바카라 사이트 가속기가 필요합니다 그러나 JAEA는 J-PARC의 바카라 사이트 가속기에서 빔을 분기하여 이러한 테스트를 수행하기로 결정했습니다 즉, J-PARC의 특징인 고출력 바카라 사이트빔에서 핵변환 특성 시험에 사용되는 극저전력 바카라 사이트빔을 안정적으로 추출하는 것이다

J-PARC의 큰 출력음수수소이온(H^-, 참고 6)빔의 작은 전력을 갖는 바카라 사이트(H⁺) 빔(최대 전력 10W, 1/25,000)을 안정적으로 추출해야 합니다 또한, 변성특성 시험의 내용에 따라 H⁺우리는 빔을 제거해야 합니다

일반 가속기 시설에서는 전자석과 금속박막을 사용하여 고출력 바카라 사이트빔에서 저전력 바카라 사이트빔을 추출합니다 그러나 이 방법은 출력 전력이나 시간 폭이 다른 바카라 사이트빔을 추출할 수 없습니다 또한 전자석의 이상이나 금속박막의 변형으로 인해 예상보다 더 높은 출력을 갖는 바카라 사이트빔이 추출될 위험이 있어 빔 안정성에 문제가 발생했다 따라서 저전력 바카라 사이트빔을 안정적으로 추출할 수 있는 방법의 개발이 필수적이었다

[연구 내용/결과]

세계 최고 수준의 출력을 자랑하는 J-PARC의 바카라 사이트빔에서 다양한 미세한 출력빔을 안정적으로 추출하는 것이 필요합니다 예를 들어 초당 125리터의 물 흐름에서 초당 한 스푼(1/25,000)의 물을 정확하게 추출해야 합니다 따라서 지금까지 우리는 레이저 H를 사용해 왔습니다^-빔 모양 등을 진단하는 기술로 사용되어 왔습니다레이저 전하 변환 기술(참고 7)레이저 전하 변환은 H^-특정 파장 H의 레이저 광으로 빔을 조사합니다^-에서 전자를 떼어내 전하상태를 변환하는 기술입니다 작은 출력빔을 추출하는데 있어서 또 다른 문제는 진공가속기의 가속관에 남아있는 가스와 H^-우리는 빔 충돌로 인해 생성된 중성 수소의 배경을 제거해야 했습니다 배경을 제거하면서 주어진 출력의 연구 그룹 H⁺빔을 추출하기 위해 전자석 내부에 있는 H^-우리는 빔을 고출력 레이저 광과 충돌시키는 독창적인 아이디어(그림 2)를 기반으로 레이저 전하 변환 시스템(그림 1)을 개발했습니다 또한 안정적인 H⁺빔을 추출하기 위해 우리는 충돌 지점에서 레이저 빔의 위치를 고정밀도로 제어하는 시스템도 구축했습니다

다른 시간 폭을 갖는 3 MeV, H의 빔 에너지를 갖는 바카라 사이트 가속기를 사용하는 이 시스템의 확인 테스트에서⁺두 가지 유형의 레이저(고출력 펄스 레이저와 고출력 연속파 레이저)가 빔을 추출하는 데 사용되었습니다

첫째, 시간 폭이 짧습니다(수 나노초) H⁺빔을 추출하기 위해 우리는 고출력 펄스 레이저(펄스당 16줄)와 빔 에너지 3MeV의 바카라 사이트 가속기를 조합하여 실험을 수행했습니다 그 결과, 빔 출력의 변동을 약 2% 이내로 억제하면서 출력은 약 1/30,000H에 불과합니다⁺빔이 성공적으로 추출되었습니다[1] 이 값은 J-PARC의 출력 250kW에 대해 H입니다^-H 빔에서 약 8W⁺그것은 빔을 꺼내는 것을 의미합니다 [1] 다음으로 시간폭이 길다(수십 마이크로초) H⁺빔을 추출하기 위해 고출력 펄스 레이저를 고출력 연속파 레이저(출력 196W)로 교체하여 시간 폭 약 50 마이크로초, 출력 약 1/360,000H에 불과한 실험을 수행했습니다⁺빔 추출에 성공했습니다(그림 3) 이 값은 J-PARC의 출력 250kW에 대해 H입니다^-H 빔에서 약 07W⁺그것은 광선을 꺼내는 것을 의미합니다

또한 추출된 빔의 출력 전력이 이론적 예측과 일치함을 확인했습니다 이론 H에 따르면⁺빔을 추출할 수 있으므로 H는 안정적이고 정확한 미리 결정된 출력 및 시간 구조를 갖습니다⁺우리는 빔 추출 기술을 확립했습니다

[향후 개발/파급효과]

이 기술의 확립으로 우리는 J-PARC를 사용하여 ADS 연구 및 개발을 촉진하는 데 획기적인 이정표를 달성했습니다

이 기술은 초단펄스 바카라 사이트빔, 저전력 장펄스 바카라 사이트빔 등 다양한 요구에 부응해야 하는 가속기빔 활용 기술 개발로 이어질 것으로 예상되며 이미 학계에서 국제적인 인정을 받고 있습니다

[참조]

[1] H Takei, K Hirano, K Tsutsumi 및 S Meigo, 플라즈마 및 핵융합 연구 13, 2406012 (2018)

[논문 정보]

저널명: Journal of Nuclear Science and Technology

제목: 일본 바카라 사이트 가속기 연구 단지의 3-MeV 음수소 Linac을 사용하는 밝은 연속 레이저에 의한 저전력 바카라 사이트 빔 추출

저자: 타케이 하야노리¹, 츠츠미 카즈요시², 그리고 메이고 신이치로¹

소속: 1 일본원자력기구, 2 Japan Advanced Technology Co, Ltd(현 NAT Co, Ltd)

DOI 번호: 101080/0022313120201848654

 

[용어]

(주 1) 가속기 구동 핵 변환 시스템(ADS)

원자력 발전소의 사용후 핵연료에는 새로운 연료로 사용할 수 있는 미연소 우라늄과 플루토늄뿐만 아니라 핵분열 반응과 방사성 붕괴로 생성된 방사성 물질도 포함됩니다 이들 방사성 물질 중 일부는 인체에 ​​대한 독성이 매우 높으며 환경에 비교적 큰 영향을 미칩니다 이들 물질을 특성에 따라 선택적으로 분리, 처리, 폐기할 수 있다면 사용후핵연료가 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있다 유해한 원소를 분리하고 핵반응을 통해 다른 원소로 변환시키는 기술을 '분리전환기술'이라고 합니다

이 기술의 일환으로 가속기와 원자로를 결합하여 납과 같은 표적에 가속기의 고에너지 바카라 사이트를 조사하고 생성된 중성자에 의한 핵분열 반응을 통해 핵변환의 연쇄 반응을 수행하는 시스템을 "가속기 구동 변환 시스템"이라고 합니다 가속기 구동 핵 변환 시스템은 전 세계적으로 연구 개발되고 있는 차세대 원자로입니다

(주 2) 변환 실험 시설(TEF)

J-PARC는 ADS의 실제 적용을 위한 기초 연구를 수행하기 위해 핵 변환 실험 시설을 고려하고 있습니다 핵변환 실험시설에서는 ADS에서 고출력 바카라 사이트빔을 수신하는 표적시험과 핵변환 대상인 방사성물질의 소멸특성에 대한 시험을 통해 ADS의 실제 적용에 필요한 데이터와 지식을 습득하게 됩니다

(참고 3) 대상 테스트

바카라 커뮤니티이 제안한 ADS는 납-비스무트 공융 합금(LBE)을 타겟으로 사용하여 양성자로부터 중성자를 생성합니다 LBE는 다량의 중성자를 발생시킨다는 장점이 있지만, 금속재료를 부식시키기 쉽고, 양성자/중성자 조사에 따라 금속 자체의 강도가 변화하기 때문에 이러한 특성을 잘 알아야 한다 이에 ADS 설계에 필요한 데이터베이스 구축을 목표로 J-PARC의 고출력 양성자빔을 활용한 LBE 타겟에 대한 테스트를 진행하고 있습니다

(주 4) 핵변환 대상 방사성 물질

악티늄 원소(악티늄(Ac, 원자 번호 89)부터 로렌슘(Lr, 원자 번호 103)까지의 원소에 대한 일반 용어) 중에서 우라늄과 플루토늄을 제외한 원소를 총칭하여 소수 악티늄 원소라고 합니다 사용후핵연료에 함유된 미량 악티늄족 중 핵변환의 주요 대상은 넵투늄(Np, 원자번호 93), 아메리슘(Am, 원자번호 95), 큐륨(Cm, 원자번호 96)으로 인체에 대한 독성이 비교적 크고 환경부담도 상대적으로 크다

(주 5) 핵변환 특성 시험

바카라 사이트 빔을 사용하여 방사성 물질을 변환할 때 어디에서 얼마나 변환이 발생하는지 실험적으로 검증하고 시뮬레이션을 통해 얼마나 정확하게 예측할 수 있는지 비교할 필요가 있습니다 따라서 우리는 400MeV라는 극히 낮은 출력의 바카라 사이트빔을 이용해 소량의 중성자를 발생시켜 실제 핵변환 특성을 파악하는 시험을 계획하고 있다

(주 6) 음이온 수소 이온

하나 이상의 전자가 부착된 원자 또는 분자를 음이온이라고 합니다 수소 원자에는 음(-) 전하를 띤 전자 1개가 양(+) 전하를 띤 바카라 사이트 하나 주위를 공전하고 있고, 여기에 전자가 하나 더 추가되어 바카라 사이트 1개 주위를 공전하는 전자 2개가 생겨 음전하를 띠게 됩니다 이 이온을 음전하 수소 이온이라고 합니다 J-PARC의 바카라 사이트가속기(linac)는 음이온의 수소이온을 가속시킵니다

(주 7) 레이저 전하 변환 기술

음수수소이온(H^-)에서는 수소 원자에 추가된 전자 하나가 수소 원자와 약하게 결합되어 있기 때문에 적외선부터 가시광선까지의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하면 음이온의 수소 이온에서 전자를 쉽게 분리하여 전기적으로 중성인 수소로 변환할 수 있습니다 이 중성수소가 금속박막을 통과할 때, 금속박막 내의 원자와의 충돌로 인해 중성수소의 전자도 벗겨지고, 양전하를 띠는 바카라 사이트(H)⁺)

레이저 전하 변환 기술은 미국의 Los Alamos 국립 연구소, Oak Ridge 국립 연구소 및 Fermi 국립 연구소에서 가속기 빔 진단 및 제어에 사용되었습니다