JP2015534215A - 陽子ビーム発生装置及び核廃棄物変換設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、陽子ビームを生じさせる装置に関する。この装置は、これが数十ｍＡオーダの電流、例えば２０ｍＡで０．５ＧｅＶ〜１ＧｅＶの相対論的陽子のビーム（４）を生じさせるようになった陽子のレーザ駆動式加速器（１，３）によって構成されていることを特徴としている。本発明は、核廃棄物を変換するために利用できる。【選択図】図４

Description

本発明は、陽子ビームを生じさせる装置及び特に原子炉から出た核廃棄物の変換のための設備に関する。

原子炉から出た核廃棄物の変換にあたっては、多量の中性子及びガンマ陽子を危険な核同位元素上に堆積させる必要があることが知られている。従来の方式では、高速増殖炉又は専用高出力・高エネルギー加速器によって生じた高速中性子を用いてこれら高速中性子を重量のある破砕（spallation）標的に衝突させて高中性子束を生じさせ、それによりこれら同位元素の変換を生じさせている。

核廃棄物の変換のための従来型装置には、これが極めて嵩張っていて且つ費用が高くつくという欠点がある。そのサイズは、原子炉それ自体のサイズを超える場合がある。

本発明は、これら欠点を解決することを目的としている。

この目的を達成するため、本発明により提案される装置は、これが数十ｍＡオーダの電流、例えば２０ｍＡで０．５ＧｅＶ〜１ＧｅＶの相対論的陽子のビームを生じさせるようになったレーザ駆動式陽子加速器によって構成されていることを特徴としている。

本発明の一特徴によれば、本装置は、数十ＭＷのオーダの高平均電力で数百フェムト秒の持続時間及び１０²³Ｗ／ｃｍ²を超える強度を有する短パルスのビームを生じさせるようになったレーザパルス源及びレーザビームを集束させてこれを当てる陽子標的を有することを特徴としている。

本発明の別の特徴によれば、本装置は、レーザパルスの持続時間が３０フェムト秒のオーダであることを特徴としている。

本発明の更に別の特徴によれば、本装置は、高平均電力が２０ＭＷのオーダであることを特徴としている。

本発明の更に別の特徴によれば、本装置は、本装置が数十フェムト秒オーダの持続時間及びナノジュールオーダのエネルギーを有する超短パルスを生じさせるレーザパルス発振器及び生じたレーザパルスを送り込むシングルモード光ファイバ増幅装置を有し、シングルモード光ファイバ増幅装置がコヒーレント増幅ネットワークシステムを形成する目的で多数本の光ファイバを含むことを特徴としている。

本発明の更に別の特徴によれば、本装置は、コヒーレント増幅ネットワークシステムが各々シングルモード光ファイバ増幅器の束から成る一連の連続した増幅器段を含み、光ファイバは、冷却媒体を光ファイバ相互間中に通過させることができる目的で互いに間隔を置いて配置され、１つの段の束が先行する段束の光ファイバの分割によって得られた光ファイバから成ることを特徴としている。

本発明の更に別の特徴によれば、本装置は、コヒーレント増幅ネットワークの下方端部では、各光ファイバが２つの光ファイバ区分、即ち、光ファイバが冷却の理由で互いに間隔を置いて設けられた最後の増幅器段に属する増幅光ファイバ区分及び損失の極めて低い光ファイバで作られたトランスポート光ファイバ区分を構成し、トランスポート光ファイバが増幅器段の大径束を、光ファイバが全体的出力ひとみ直径を可能な限り小さくするために互いにできるだけ近接して保たれている小径出力束に変換することができることを特徴としている。

本発明の更に別の特徴によれば、本装置は、陽子標的が物質、例えば、水素、ヘリウム又は炭素のフィルムで形成された中実標的であることを特徴としている。

さらに別の特徴によれば、レーザパルス源は、ＫＨｚオーダ、例えば１０ＫＨｚの繰り返し率を有するレーザパルスを生じさせるようになっている。

核廃棄物の変換のための設備は、この設備が相対論的陽子のビームを生じさせる装置と、０．５ＧｅＶ〜１ＧｅＶの中性子のビームを生じさせる破砕標的とを含み、かかる中性子ビームが核廃棄物の方へ差し向けられ、破砕標的は、超相対論的陽子ビームによって照射されることを特徴としている。

有利な特徴によれば、破砕標的は、Ｐｂ‐Ｂｉの液体標的である。

別の特徴によれば、本設備は、破砕標的が高応力鋼の入口窓及びＰｂ‐Ｂｉ合金の液体で満たされた円筒形管を有し、液体金属が冷却媒体として用いられることを特徴としている。

本発明の他の特徴及び他の利点は、一例としての役目を果たすに過ぎず、本発明の範囲をなんら限定するものではないものとして添付の図面を参照して以下に与えられた説明から明らかになろう。

本発明による核廃棄物の変換のための設備の略図である。 本発明による陽子の高強度且つ高平均ビームを生じさせる装置の図である。 図２のＩＶ‐ＩＶ線に沿って取ったトランスポート光ファイバ組立体の光ファイバアーキテクチャの概略断面図である。 核廃棄物を変換するための本発明の設備を示す図である。

以下、本発明をその用途が核廃棄物の変換に向けられた状態で説明する。しかしながら、これら用途は、非網羅的な例としての役目を果たすに過ぎない。本発明は、本発明により提案されるレーザを利用した方法により得られる相対論的陽子のビームを用いたあらゆる用途に及ぶことは注目されるべきである。

図１に示されているように、核廃棄物、例えば原子炉から出た廃棄物を変換するための設備が２０ＭＷオーダの高平均電力で例えば３０フェムト秒（ｆｓ）の持続時間及び１０²³Ｗ／ｃｍ²を超える強度を有する超短レーザパルスのレーザビーム２を生じさせることができる超相対論的強度パルスレーザ源１と、レーザビーム２を集束させてこれを当てる陽子標的３とを含み、例えば２０ｍＡオーダの電流を有する０．５ＧｅＶ〜１ＧｅＶの相対論的陽子のビームがこの陽子標的３から生じる。相対論的陽子のビームは、破砕標的５、例えばＰｂ‐Ｂｉの液体標的を照射し、かかる液体標的から０．５〜１ＧｅＶの中性子６が破砕により放出される。中性子は、廃棄物の放射性同位元素、即ち、低アクチニドを半減期が著しく短い非常に安全な物質又は元素に変換するために、変換されるべき核廃棄物７、例えば照射済み核燃料の方へ差し向けられる。

以下において図２〜図４を参照して、超相対論的強度パルスレーザ源１について詳細に説明する。

図２で理解できるように、源１は、例えば３０フェムト秒（ｆｓ）の持続時間及びナノジュール（ｎＪ）オーダのエネルギーの短パルスを生じさせるようになった発振器又はオシレータ８を有する。生じたレーザパルスは、シングルモード光ファイバ増幅装置中に送り込まれ、シングルモード光ファイバ増幅装置は、コヒーレント増幅ネットワーク（ＣＡＮ）システムを形成する目的で多数本の光ファイバから成っており、コヒーレント増幅ネットワークは、３０％よりも高い効率で同時高ピーク且つ高平均電力、即ち、１０²³Ｗ／ｃｍ²を超える強度を有する場合のある図１に示されたレーザビーム２をもたらす。

コヒーレント増幅ネットワークシステムに関し、ジェラード・モロ（Gerard Mourou），トシキ・タジマ（Toshiki Tajima）の刊行物「ユーロナック，メイ２０１２ミーティング・シーイーアールエヌ（Euronnac, May 2012 Meeting CERN）」，（仏国パレゾー），ＩＺＥＳＴ，Ecole Po 1 yt echn ique、エス・デモウスティエール（S. Demoustier），シー・ベランガー（C. Bellanger），エー・ブリグノン（A. Brignon）及びジェイ・ピー・フイグナード（J. P. Huignard），「コヒーレント・ビーム・コンバイニング・オブ１．５マイクロメートル・イーアール・ワイビー・ドープド・ファイバ・アンプリファイヤーズ（Coherent Beam Combining of 1,5μm Er Yb Doped Fiber Amplifiers）」，ファイバ・アンド・インテグレイテッド・オプティックス（Fiber and Integrated Optics），２００８年，第２７巻，第５号、及びジェイ・ボアデリオネット（J. Bourderionnet），シー・ベランガー（C. Bellanger），ジェイ・プリモット（J. Primot）及びエー・ブリグノン（A. Brignon）「コレクティブ・コヒーレント・フェーズ・コンバイニング・オブ・６４ファイバーズ（Collective Coherent Phase Combining of 64 fibers）」，オプティックス・エクスプレス（Opt. Express），２０１１年，第１９巻，第１８号，ｐ．１７０５３〜１７０５８を参照されたい。

具体的に説明すると、発振器８により生じたレーザパルスは、ボックスの形態で表された１対の回折格子１０を通過し、かかる回折格子の構造は、その記載のすぐ下に詳しく図示されており、これら回折格子は、それ自体知られている仕方でレーザパルスを約１０⁵倍に引き伸ばす。引き伸ばしにより、引き伸ばしパルスの種々の成分が分離され、そのうちに虹が生じる。引き伸ばし後のパルスは、ミリジュール（ｍＪ）レベルの状態にある。

引き伸ばしパルスは、第１の増幅器段１３内で各々がシングルモード光ファイバ増幅器を構成する多数本の、例えば１０〜１００本の光ファイバ１４に結合されている。各光ファイバは、入力パルスをミリジュールレベルまで増幅する。増幅された光ファイバは、束を形成するよう保たれ、増幅用光ファイバは、光ファイバによって生じた熱を放熱するための適当な冷却媒体による効果的な冷却を可能にするために互いに比較的長い距離を置いて位置している。

同じ作業が第２の増幅器段１５で繰り返し実施形態され、第１段１３の各光ファイバ増幅器は、第１の段のシングルモード増幅器と同じ形式の多数個の、例えば１０〜１００個のシングルモード増幅器１６に給電する。各光ファイバは、この光ファイバが分割によって得られる元となる光ファイバの出力の対応の部分である入力をミリジュールレベルまで増幅するであろう。

同じプロセスは、連続した一連の増幅器段で繰り返し実施され、これら増幅器段のうちの１つが図２に符号１７で更に示されており、この増幅器段は、光ファイバの効果的な冷却を可能にするために互いに間隔を置いて配置された光ファイバ１９の大径の束を有する。

上述の結果として、各単一「シード（seed）」パルスを分割すると共に分枝することにより、数千のレーザのマトリックスが得られる。連続した一連の増幅器段の各段では、各パルスの位相が保存される。

最後の段、即ち、図２の段１７の極めて多数本の光ファイバが単一パルスを形成するよう互いに組み合わされると共にこれと位相が合わせられ、この単一パルスは、それ自体知られている仕方で１対の格子によって圧縮される。パルスエネルギーは、今や、数十ジュールのものであるのが良く、パルス持続時間は、この実施例の３０フェムト秒という初期パルス持続時間に対応している。

図３は、光ファイバアーキテクチャの下方端部の付近の光ファイバの配置状態を示している。理解できるように、各光ファイバは、２つの区分、即ち、増幅区分１９及び損失の極めて低い光ファイバ２１で作られたトランスポート区分２０の状態に具体化されている。最後の増幅器段を構成する光ファイバ増幅区分１９は、別々の区分が適当な冷却媒体による効率的な冷却を保証するよう互いに十分に間隔を置いて配置された大径束を形成する仕方で配置されている。光ファイバトランスポート区分２０は、これらが特定の冷却を必要としない損失の極めて低い光ファイバなので、大径束を、全体的出力ひとみ直径を可能な限り小さくするために光ファイバが互いにできるだけ近接して保たれている小径出力束２１に変換することができる。

小径光ファイバの端部のところで出た個々のレーザビームは、上述の刊行物である「ユーロナック，メイ２０１２ミーティング・シーイーアールエヌ（Euronnac, May 2012 Meeting CERN）」に記載されているように位相が同じであるよう制御された後、単一パルスのビーム２２を形成する。なお、この刊行物の教示は、本明細書に含まれていると考えられる。次に、各増幅引き伸ばし出力パルスは、図２に概略的に示されている第２の対をなす格子２３によって圧縮される。その結果得られたパルスは、発振器９により生じた元のパルス数十フェムト秒、例えば３０フェムト秒の超短持続時間を有するが、そのエネルギーは、例えば３０ジュールという桁外れに大きいものである。

これらパルスは、放物面鏡３０に当たるよう構成され、この放物面鏡は、図４で理解できるようにこれらパルスを陽子標的３上に集束させる。
その結果得られるパルスは、図１に示されている高平均電力及び高強度パルス２であり、このパルスは、超相対論的状態、即ち、１０²³Ｗ／ｃｍ²を超えている。

図１及び図３によれば、適当な冷却媒体による互いに異なる束中のシングルモード光ファイバ増幅器の効果的な冷却に起因してＫＨｚオーダ、例えば１０ＫＨｚの繰り返し率で生じさせることができるこれらパルス２は、有利にはフィルム２５の形態をした物質、例えば水素、ヘリウム及び／又は炭素で作られた中実標的であるのが良い陽子標的３を射るようになっている。このように標的を射ることによって、０．５〜１ＧｅＶの範囲の高エネルギー陽子の高フラックス４が生じ、かかる高エネルギー陽子の高フラックスは、例えば高Ｚ材料標的である標的５で生じる破砕プロセスによって高エネルギー中性子６の高フラックスで変換されるようにするために破砕標的５に衝突するようになっている。注目されるべきこととして、１ＧｅＶの陽子は、標的上に、高い増倍率である約３０個の中性子を生じさせる。

標的５は、高応力鋼の入力窓と、中性子生成のために液体Ｐｂ‐Ｂｉ合金で満たされた約５０ｃｍの円筒形管２７とから成っている。この液体合金は、温度をその臨界値よりも十分低く保つよう専用の油圧回路内で流れると共に循環するようになっているのが良い。したがって、この合金は、中性子生成のために用いられるだけでなく、冷却材でもある。

入口窓の腐食及び応力並びに温度勾配及び標的組立体中のＨ及びＨｅの生成の適当なモニタにより、システムの安全作業が確保される。

上述の条件では、本発明は、１０²³Ｗ／ｃｍ²を超える密度でレーザ内において水素及び／又はヘリウムの中実標的を射ることによって効率的な相対論的陽子を生じさせることができる。この照射を主に利用した圧力方式では、運動量は、電荷分離に起因して生じる電界を介してイオンに伝達される。この方式では、陽子成分は、電子成分の平均長手方向速度とほぼ同じ速度で前方に動き、相対反応を極めて効率的に、１００％近くにする。さらに、陽子エネルギーは、核廃棄物７の変換を達成するために高エネルギーを有する中性子を照射するよう０．５〜１ＧｅＶの所望のエネルギー範囲にある。

上述したことから結果として、核廃棄物の標的の方へ差し向けられるべき中性子を生じさせるレーザを利用した手法は、本発明の標的用途、例えば核廃棄物の変換に必要な数十ジュールのレベルどころか、ミリジュールのオーダのエネルギーを有するフェムト秒のオーダの超短レーザパルスを生じさせる発振器を有する。この目的のため、本発明は、上述すると共に図示されているコヒーレント増幅ネットワークシステムにおいて極めて多くの本数、即ち、１０⁴以上の本数の光ファイバをコヒーレントに組み合わせることを提案している。１０²³Ｗ／ｃｍ²を超える強度を有するレーザパルスの繰り返し率は、有利には、高い表面積を有する光ファイバの使用及び光ファイバがこれら光ファイバ相互間の冷却媒体の循環を可能にするよう互いに間隔を置いて配置されている大径光ファイバ束中のかかる光ファイバの配置により保証される熱除去に起因して数十ＫＨｚのオーダであるのが良い。用いられるシングルモード光ファイバ増幅器が各増幅器段において同一であると共に試験済み電気通信コンポーネントであるので、レーザパルス発生装置及び核廃棄物を変換する設備は、比較的安価であり且つコンパクトな装置として具体化でき、この装置をこれが用いられるべき場所まで移動させることができる。

Claims (12)

1. 陽子ビームを生じさせる装置において、前記装置は、数十ｍＡオーダの電流、例えば２０ｍＡで０．５ＧｅＶ〜１ＧｅＶの相対論的陽子のビーム（４）を生じさせるようになったレーザ駆動式陽子加速器（１，３）により構成されている、装置。
2. 前記装置は、数十ＭＷのオーダの高平均電力で数百フェムト秒の持続時間及び１０²³Ｗ／ｃｍ²を超える強度を有する短パルスのビーム（２）を生じさせるようになったレーザパルス源（１）及び前記レーザビーム（２）を集束させてこれを当てる陽子標的（３）を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記レーザパルスの持続時間は、３０フェムト秒のオーダである、請求項２記載の装置。
4. 前記高平均電力は、２０ＭＷのオーダである、請求項２又は３記載の装置。
5. 前記装置は、数十フェムト秒オーダの持続時間及びナノジュールオーダのエネルギーを有する超短パルスを生じさせるレーザパルス発振器（８）及び前記生じたレーザパルスを送り込むシングルモード光ファイバ増幅装置（９）を有し、前記シングルモード光ファイバ増幅装置は、コヒーレント増幅ネットワークシステムを形成する目的で多数本の光ファイバ（１４，１６，１９）を含む、請求項２〜４のうちいずれか一に記載の装置。
6. 前記コヒーレント増幅ネットワークシステムは、各々がシングルモード光ファイバ増幅器の束から成る一連の連続した増幅器段（１３，１５，１７）を含み、前記光ファイバは、冷却媒体を前記光ファイバ相互間中に通過させることができる目的で互いに間隔を置いて配置され、１つの段の前記束は、先行する段束の前記光ファイバの分割によって得られた光ファイバから成る、請求項５記載の装置。
7. 前記コヒーレント増幅ネットワークの下方端部では、各光ファイバ（１９）は、２つの光ファイバ区分、即ち、光ファイバが冷却の理由で互いに間隔を置いて設けられた最後の増幅器段（１７）に属する増幅光ファイバ区分（１９）及び損失の極めて低い光ファイバで作られたトランスポート光ファイバ区分（２０）を構成し、前記トランスポート光ファイバは、前記増幅器段の大径束を、前記光ファイバが全体的出力ひとみ直径を可能な限り小さくするために互いにできるだけ近接して保たれている小径出力束（２１）に変換することができる、請求項６記載の装置。
8. 前記陽子標的（３）は、物質、例えば、水素、ヘリウム又は炭素のフィルムで形成された中実標的である、請求項２〜７のうちいずれか一に記載の装置。
9. 前記レーザパルス源は、ＫＨｚオーダ、例えば１０ＫＨｚの繰り返し率を有するレーザパルスを生じさせるようになっている、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の装置。
10. 核廃棄物の変換のための設備において、前記設備は、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の装置と、前記相対論的陽子のビーム（４）により照射される破砕標的（５）とを含み、０．５〜１ＧｅＶの中性子（６）が前記破砕標的から破砕により放出され、前記中性子は、変換されるべき前記核廃棄物（７）の方へ差し向けられる、設備。
11. 前記破砕標的（５）は、液体標的、例えばＰｂ‐Ｂｉの標的である、請求項１０記載の設備。
12. 前記破砕標的（５）は、高応力鋼の入口窓及びＰｂ‐Ｂｉ合金の液体で満たされた円筒形管（２７）を有し、前記液体金属は、冷却媒体として用いられる、請求項１１記載の設備。

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