JP2001305299A - 中性子発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】長寿命で簡素な構成の液体ターゲットを用いた
中性子発生装置を提供する。 【解決手段】液体金属９を中性子発生部３の管内を上下
に循環させて、その循環で生じた上部の自由表面１０に
荷電粒子６を直接入射させる。液体金属の自由表面１０
の上方に内面が蒸気蒸着部２となっている空間部を設け
ることで、荷電粒子６の入射で蒸発した金属を作動流体
とするゲッターポンプおよびヒートサイフォンを形成さ
せ真空排気と除熱および蒸発金属回収を同時に可能にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速器で発生させ
た荷電粒子ビームを、ターゲットである液体金属に打ち
込んで生じる核破砕反応により中性子を発生させる中性
子発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核破砕中性子源では、加速器で発生させ
た高エネルギ荷電粒子(通常プロトン)をタングステンや
タンタル等で作られたターゲットに打ち込み、高エネル
ギ荷電粒子とターゲット物質との核破砕反応により多数
の高エネルギ中性子を発生させる。

【０００３】発生した高エネルギ中性子は、液体水素や
重水でできた減速器で熱中性子や冷中性子に減速され、
中性子ビーム輸送系を介して利用実験室に供給され中性
子回折等の実験に利用されている。

【０００４】例えば、英国ラザフォードアップルトン研
究所の核破砕中性子源ＩＳＩＳでは、８００ＭｅＶのプ
ロトン、２.５×１０¹³ 個からなるパルスビームを５０
Ｈｚの周期で、水冷されたタンタル（Ｔａ）製ターゲッ
トに打ち込むことにより約１０¹⁵個／cm²ｓ の中性子束
を得ている。すなわち、１６０ｋＷのプロトンビームで
約１０¹⁵個／cm²ｓ の中性子束を得ている。

【０００５】近年、中性子利用研究の重要性が急速に増
大しつつあり、次世代核破砕中性子源の計画が米国（Ｓ
ＮＳ計画），ＥＣ（ＥＳＳ計画），日本（高エネ機構−
原研統合計画）で進められている。

【０００６】これら世界の３大計画は、いずれも１０¹⁷
個／cm²ｓ の中性子束を得るため、いまだ経験したこと
のない数ＭＷのプロトンビームをターゲットに入射させ
る予定である。ここでプロトンのエネルギは１〜３Ｇｅ
Ｖである。

【０００７】一般に数ＭＷ級ビームのターゲットは、タ
ーゲット内での発熱が数百ＭＷ／ｍ³ に達するため、固
体金属を水冷する現行の方式は使えず、液体金属にせざ
るを得ないことが解っている。このため、世界の３大計
画とも水銀ターゲット方式を採用している。

【０００８】図８に米国ＳＮＳ計画の水銀ターゲットを
示す。ここで、核破砕中性子源において加速器本体およ
び荷電粒子ビーム輸送系を加速器系と呼び、ターゲット
本体およびターゲット周りの機器を中性子発生装置と呼
ぶことにする。従って、核破砕中性子源は加速器系と中
性子発生装置からなる。

【０００９】ＳＮＳ計画の中性子発生装置１では、ステ
ンレス鋼製ターゲット容器内に、ターゲット材である水
銀２４を後方両側の水銀導入管２５から導入、荷電粒子
（プロトンイオン）６の入射面で折り返し中央後方の水
銀出口管より排出させている。水銀は核破砕反応に使わ
れると同時に、発生した熱の除熱冷却材としても使われ
ている。

【００１０】図９は１.５ＧｅＶ のプロトンを水銀に打
ち込んだ時の核破砕反応に伴う発熱分布を示している。
横軸は、プロトンの入射面からの深さ、縦軸は発熱密度
であり単位プロトンビーム入力（ＭＷ）あたり単位体積
(ｍ³）あたりの発熱量である。

【００１１】図９よりプロトン入射面から約５cmのとこ
ろで最大発熱密度４００ＭＷ／ｍ³ＭＷに達すること、
１.５ＧｅＶ のプロトンの飛程は、８０cm程度であるこ
とがわかる。ここで、２倍のエネルギの３ＧｅＶのプロ
トンの飛程も９０cm程度であり、２倍にならない。この
ことは、発熱分布にも当てはまり１〜３ＧｅＶの範囲で
はほぼ図９のようになると考えて大きな間違いはない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】中性子発生装置の使用
寿命は実用的な見地から１年以上あることが望ましい。
しかし、上述した現在計画されている水銀を用いた中性
子発生装置では、プロトンビーム入射面の窓材の損傷が
下記理由により激しく、寿命が０.５ 年以下になること
が問題視されている。 プロトンによる照射損傷。 プロトンパルス入射時に発生する数百ＭＰａの衝撃波
による損傷。 水銀による窓材の腐食ないしは液体金属脆性による損
傷。 上記３点の複合効果による損傷。

【００１３】プロトンビーム入射面の窓材が存在しない
公知例として、特開昭58−10700号公報や特開平７−２
４９４９８号公報に掲載された中性子発生装置がある。

【００１４】これらの公知例は、真空度や熱管理などの
中性子発生源環境を良好に保つに大掛かりな設備が必要
である。

【００１５】本発明の目的は、簡素で寿命が長くできる
中性子発生装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の基本構成は、問
題となっている荷電粒子ビーム入射窓部を無くし、荷電
粒子ビームを直接液体金属の自由表面に入射させ、さら
には、液体金属自由表面の上方に空間を設け蒸発した金
属を作動流体とするゲッターポンプ又は／およびヒート
サイフォンを形成させ真空排気と除熱および蒸発金属回
収を同時に可能にする。

【００１７】その他の特徴点は、加速器系出口または中
性子発生装置入口に高周波加熱器と電場Ｅ，磁場Ｂを互
いに垂直に印加できる電磁場発生装置を設け、蒸発面か
ら加速器系側に迷走してくる弱電離プラズマを強電離プ
ラズマにするとともにＥ×Ｂドリフトにより中性子発生
器側に排出する。

【００１８】ここで高周波加熱器と電磁場発生装置を併
せたものをＥ×Ｂドリフト排気装置と呼ぶ。

【００１９】本発明では、極めて短寿命の荷電粒子ビー
ム入射窓部を無くしているので入射窓材の問題は当然解
消されるが、その他としては、束縛のない液体金属自由
表面に直接荷電粒子ビームを打ち込むので、衝撃波の問
題も解消され、他の構造材の使用環境も緩和させる作用
を持つ。

【００２０】また、蒸発面の上方に適当な空間を設け金
属蒸気が蒸着する面を広く取ることにより常に新鮮な活
性金属表面を充分に確保でき、ゲッターポンプとして真
空排気できる作用がある。

【００２１】同時に、蒸発した金属原子は、大きな気化
熱を持ち音速で蒸着面に到達するので極めて伝熱効率の
良いヒートサイフォンの作動流体の作用を持つ。

【００２２】ヒートサイフォンは中性子発生部のような
構造が複雑で空間的に余裕のない場所から効率よく熱を
別の空間的余裕のある場所（上方に設けた空間部）に運
びそこで容易に冷却できるようにする作用がある。

【００２３】また、広い蒸着面は蒸着金属分子により持
ち込まれる入熱密度を下げ冷却を容易にする作用を持
つ。

【００２４】加速器系終端部と中性子発生装置の荷電粒
子ビーム入射部を直結すると、蒸発した金属原子の一部
は、弱電離プラズマ化した状態で加速器系側に逆流する
が、本発明のＥ×Ｂドリフト排気装置はつぎの実施例に
おいて詳細に説明する原理により、これら迷走してきた
金属原子を加速器系から排出する作用を持つ。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施例である中性子
発生装置について図１を用いて説明する。本発明の中性
子発生装置１は大略、適当な内面積を有する蒸気蒸着部
２と液体金属が充填された中性子発生部３および液体金
属９が貯えられたリザーバ４で構成される。

【００２６】これら構成機器の外面にはそれらが適当な
温度に保持できるよう適当に冷却管等の冷却手段とヒー
タ等の加熱手段が設けてある。また加速器系の終端部ま
たは中性子発生装置１の荷電粒子ビーム入射口部には、
加速器系と中性子発生装置１側の真空を直結したり切り
離したりするための電磁弁が設けられている。

【００２７】もちろん中性子発生装置１の蒸気蒸着部２
と中性子発生部３の内部を真空排気したり大気開放する
ための通常の真空ポンプ系とパージ系は装備されている
が図面が複雑になるため略されている。

【００２８】本実施例では、高エネルギ荷電粒子ビーム
６と液体金属９にそれぞれ３ＧｅＶプロトンビーム、鉛
を例に取り説明する（図中の符号番号はそれぞれ同一の
ものを使用する。以下の実施例でも同様に扱う。）。プ
ロトンビームはパルス幅１μｓ繰り返し数２０Ｈｚのパ
ルスビームとする。

【００２９】装置の初期立上げ、照射中の動作、
定期検査などで停止する場合の順で説明する。 先ず、リザーバ４内に貯蔵されている鉛９を融点（３
２７℃）以上、例えば３５０℃に加熱し溶融させる。リ
ザーバ４は開口部１３が設けられ大気開放されているた
め、蒸気蒸着部２及び中性子発生管３の内部を真空排気
すると溶融した鉛９は中性子発生管３内を上昇し液面１
０と大気開放されたリザーバ４内の液面１２の差がｈ＝
Ｐ_atm／ρｇになったところで所望する一定の位置に保
たれる。

【００３０】ここでＰ_atm は大気圧で１０１３.２５ｈ
Ｐａ 、ρは液体金属密度で鉛の密度は３５０℃で１０.
６×１０³kg／ｍ³ である。ｇは、重力加速度９.８ｍ／
ｓ²である。

【００３１】したがって鉛の場合，ｈ＝０.９７５ｍ 、
すなわち約１ｍとなる。蒸気蒸着部２内の真空が所定の
真空度に達した後、加速器系と中性子発生装置の真空を
仕切っている電磁弁を開き加速器系と直結する。

【００３２】その他冷却設備や加熱設備を作動させ、Ｅ
×Ｂドリフト排気装置５の電源を投入し所定値の電磁場
を発生させると３ＧｅＶプロトンビーム６の照射準備が
完了する。 ３ＧｅＶプロトンビーム６は、偏向電磁石７で偏向さ
れ上方より液体鉛自由表面１０に入射される。３ＧｅＶ
プロトンビーム６は中性子発生管３の導管３′の軸中心
に深さ約９０cmまで打ち込まれる。

【００３３】３ＧｅＶプロトンビーム６のビーム直径
は、２cm前後であるので中性子発生管３の導管３′の直
径は、５〜１０cm前後が適当である。３ＧｅＶプロトン
ビーム６と鉛９との核破砕反応により発生する高エネル
ギ中性子は、鉛自由表面１０から深さ５〜１０cmあたり
で最も強い。

【００３４】この周りに中性子減速器８を配置し発生し
た高エネルギ中性子を熱中性子ないしは冷中性子以下ま
で減速し中性子輸送管を介して利用実験室までこれら低
エネルギ中性子を輸送し利用する。

【００３５】３ＧｅＶプロトンビーム６の照射が開始さ
れると鉛自由表面１０から鉛が蒸発する。鉛蒸気１１
は、蒸気蒸着部２の内面で冷却されて再び液化し内面に
沿って中性子発生管３の導管３′の外側を通ってリザー
バ４に還流される。

【００３６】ここで導管３′内部では蒸発のため失われ
た分の鉛が大気圧により自動的に供給されるため上昇流
が存在すると同時に導管３′の外側では、逆に下降流が
存在する。すなわち、大気圧を駆動力としプロトンビー
ムによる入熱を駆動エネルギとする自然循環ポンプが形
成されている。

【００３７】この時蒸気蒸着部２の内面は、常に活性金
属表面になっておりゲッターポンプのゲッター面を形成
している。すなわち、気体分子を吸着する真空ポンプの
役割を果たす。

【００３８】通常では、プロトンビームパルスが入射す
るたびにガス放出のため急激に真空が悪化し加速器系に
悪い影響を与える危険性がある。本発明では、プロトン
ビームパルスが入射するたびにゲッターポンプが作動す
ることになり真空度は、逆に改善される。

【００３９】もちろんターボモレキュラポンプ等他のポ
ンプと並列で真空排気するのも有効である。また、加速
器系に差動排気系を設けるのもまた有効である。

【００４０】次に蒸気発生，蒸着液化，還流のプロセス
を熱力学的に見ればヒートサイフォンを形成しているこ
とが解る。蒸発部で気化熱を受け取った蒸発原子は蒸着
面で液化し気化熱を蒸着面に与える。

【００４１】すなわち、原子一個一個が大きな気化熱を
音速で運ぶという最も効率の良い熱伝達が行われる。ま
た蒸着面は空間的余裕がある場所に設置してあるので冷
却が容易でかつ面積が広いため入熱密度を下げることが
でき冷却がより容易になる利点をヒートサイフォンは有
している。

【００４２】照射中、安定した分布の中性子を発生させ
るためには鉛の自由表面１０の高さを一定に保つことは
重要である。本発明では図１中の液面差ｈは、自動的に
一定に保たれるので鉛の自由表面１０の高さも実際上問
題のない範囲で一定に保たれるという利点を持つ。

【００４３】例えば、最も厳しい場合として照射初期を
考える。照射の初期、蒸発した液体金属が上方で留まっ
ており、還流がまだ始まらないとき、中性子発生管３内
とリザーバ４内を満たしている全液体金属量が減少す
る。このため、液面差ｈは一定であるが中性子発生管３
内およびリザーバ４内の両方の液面が共に低下する。

【００４４】この低下量を概算し実用上問題のないこと
を確認する。いま導管３′の上端（蒸発面）からＸ（c
m）分の鉛が蒸発しこの分の液体が回収されず欠損して
いる状態の時、導管３′の上端（蒸発面）１０の液面高
さの低下量Ｙ（cm）を求めてみる。導管３′の断面積を
ａ（cm²）とすると欠損量はＸａ（cm³）となる。

【００４５】この欠損量を補うためリザーバ４内の自由
表面１２の高さが低下する量δ(cm)は、リザーバ４の断
面積をＡ（cm²）とすると δ＝Ｘａ／Ａ となる。

【００４６】ここで導管３′の上端（蒸発面）１０の液
面高さとリザーバ４内の自由表面１２の高さの差ｈ（c
m）は一定であるので結局求める導管３′の上端（蒸発
面）１０の液面高さの低下量Ｙ（cm）は、Ｙ＝δ＝Ｘａ
／Ａとなる。

【００４７】いま導管３′の直径を５cm、リザーバ４の
直径を５０cmとし、導管３′の上端（蒸発面）から１０
cmの鉛が蒸発し欠損したとしてもＹ＝０.１cm の低下し
かなく実際上問題とならず液面高さは実効的に一定とで
きることが解る。

【００４８】金属蒸気がプロトンビーム入射口を通して
加速器系側に迷走する場合について考える。荷電粒子に
より加熱蒸発した金属蒸気は、弱電離プラズマ化してい
る。

【００４９】そこでこれをＥ×Ｂドリフト排気装置５を
用いて高周波加熱することにより強電離プラズマ化し図
１に示した方向の電場Ｅと磁場ＢによるＥ×Ｂドリフト
によりプラズマを下方に排出することができる。

【００５０】Ｅ×Ｂドリフトの原理については本実施例
１の最後のところで詳細に説明する。金属蒸気１１がプ
ラズマ化しているためプロトンビームが入射する毎に発
光する。従って、蒸気蒸着部２の一部にポートを設ける
ことによりパルスビームに同期した発光が取り出せオプ
ティカルトリガやその他中性子実験と同期させた利用が
可能となる。 停止する場合を考える。通常の停止は、３ＧｅＶプロ
トンビーム６を停止し安全のため電磁弁を閉めて加速器
系と中性子発生装置１の真空を切り離した状態にしてお
く。この時、液面差ｈは保持されたままである。

【００５１】定期検査等、長期に停止する場合は、先ず
電磁弁を閉止し真空を切り離した後、蒸気蒸着部２をパ
ージガスにより大気開放する。大気開放すると中性子発
生管３の液面は下がりリザーバ４内の液面と等しくな
る。その後加熱および冷却装置をＯＦＦにして停止が完
了する。

【００５２】ここでリザーバ４内の大気は常に圧力を調
整したパージガスを流し使用中の蒸発液面の安定や液体
金属の劣化防止や更に冷却などの機能をもたせることは
有効である。

【００５３】以上が実施例１の動作の説明である。

【００５４】ここで第１実施例のその他の利点について
考える。 自由表面にプロトンビームを打ち込んでいるため衝撃
波が問題にならなく構造材の使用環境が大幅に改善され
る。 上方からプロトンビームを打ち込んでいるため中性子
減速器８を３６０度配置可能なので中性子収集効率が向
上する。 プロトンビームをターゲットに打ち込んだ際、制動Ｘ
線が前方方向に強く放射される。このため放射線遮蔽が
大きな問題となるが本実施例では、地中方向に放射線が
放出されるために放射線遮蔽が容易になる利点がある。
またリザーバ４の鉛９そのものが遮蔽材の役割を果たす
利点もある。 据え置き式のコンパクトなカセット方式の中性子発生
装置にすることができるためメンテナンス時の交換作業
が容易であることも利点の一つである。このことは実施
例４で説明する。 中性子発生装置は強力な放射線場の中に置かれる。こ
のため周りは厳重な遮蔽ブロックなどに囲まれるので容
易にアクセスできない。また制御のためのセンサなども
放射線場で損傷を受けるので高度なメカニズムをもつ機
器は不向きである。

【００５５】制御方式も原始的であっても出来るだけ単
純であることが望ましい。本発明では液面高さの制御等
も高度なメカニズムを使わず原理的に成り立つものを採
用しており、構造および制御が単純である利点がある。 万一地震等事故が起こって、中性子発生装置１が破損
しても、リザーバ４を充分強度のあるものにしておけば
受け皿として機能し外部に放射化したものが漏れ出すこ
となく安全である利点がある。

【００５６】最後にＥ×Ｂドリフトについて説明する。
図２にＥ×Ｂドリフトの原理を示す。最初、磁場Ｂだけ
紙面裏側から表側に印加されていたとするとプラスの電
気を持ったイオン１４は紙面上右回りに半径ｒ＝ｍｖ／
ｅＢで等速円運動をする。

【００５７】ここで、ｍは、イオン１４の質量、ｖは、
運動速度、ｅは、電気素量である。しかし次に電場Ｅを
紙面上左から右の方向に印加するとイオン１４は左に行
く時電場Ｅに逆らって進むので運動エネルギを失い（位
置エネルギに貯えられる。）ｖが小さくなり回転半径ｒ
が小さくなる。

【００５８】この結果図で示すように下方にシフトす
る。イオン１４が紙面右方向に行くと今度は電場Ｅに加
速されるのでｖが大きくなり回転半径ｒが逆に大きくな
る。これによりやはり紙面下方にシフトすることにな
る。

【００５９】電子１５も全く同じように説明できる。こ
の場合電荷が負であるので回転が逆向きで紙面左に進む
時イオン１４とは逆に加速され右に行く時減速される。
結果的に全く同じドリフト速度ｖ_d＝Ｅ／Ｂ で下方にド
リフトする（プラズマ物理入門、チェン著内田訳丸善ｐ
５６）。

【００６０】例えば、Ｅ＝５００Ｖ／０.０５ｍ，Ｂ＝
０.１ Teslaとするとドリフト速度ｖ_dはｖ_d＝Ｅ／Ｂ＝
１０⁵ｍ／ｓとなる。ここで３ＧｅＶプロトンビーム６
の磁場Ｂによる回転半径は、１３０ｍ程度であり磁場Ｂ
の入射プロトンビームに与える影響は無視できる。

【００６１】第１実施例において加速器系に金属蒸気１
１が迷走しても液化し還流できるのでＥ×Ｂドリフト排
気装置５は本発明の必須の要件ではない。また、３Ｇｅ
Ｖプロトンビーム６は、照射頻度が高々５０Ｈｚでパル
ス幅１μｓのパルスビームであるので加速器系出口近傍
にメカニカルなビームシャッターを設けタイミングをあ
わせて迷走してきた金属蒸気１１を阻止することも有効
である。

【００６２】ここで金属蒸気１１の飛行速度は約１００
０ｍ／ｓであるから液体金属表面１０からビームシャッ
ターまでの距離を例えば１ｍとするとパルスビームが液
体金属表面１０からビームシャッターまで到達する時間
は１ｍｓ前後となる。

【００６３】また第１実施例では荷電粒子ビーム６は垂
直に上方から入射させているが、荷電粒子ビーム６を斜
め方向から入射させるのも有効である。金属蒸気１１は
Cosⁿθ分布している。ここでθは鉛直方向と蒸気原子の
方向がなす角、ｎは、ｎ＝４〜５である。

【００６４】荷電粒子ビーム６を斜めから入射させても
金属蒸気１１は、上方にほぼ同じ分布で上昇する。した
がって垂直方向よりも斜めからビームを入射させた方が
金属蒸気の加速器系への迷走も少なくなる利点を有す
る。また、高エネルギビームの偏向する角度が緩やかに
なり荷電粒子ビーム輸送系の設計が楽になる利点も有す
る。

【００６５】もちろん荷電粒子ビーム６を斜めに入射さ
せる場合、中性子発生管３は、軸方向が荷電粒子ビーム
６の入射方向と一致するように斜めに設置される。

【００６６】本発明の第２実施例である中性子発生装置
について図３を用いて説明する。液体金属を強制対流さ
せる例である。

【００６７】ポンプ１７により噴流管１６に液体金属９
を送り込む。還流した液体金属９は、熱交換器１９で冷
却され、フィルタ部１８で浄化された後、ポンプ１７に
より再び噴流管１６に送られる。ここでポンプ駆動によ
り液体金属９を噴流させる中性子発生管のことを強制冷
却式中性子発生管と呼ぶ。強制対流させることにより冷
却能を高くすることが出来る。

【００６８】第２実施例では、連通管２１を設置するこ
とにより中性子発生管内の液体金属自由表面１０の液面
高さを中性子発生管３の外部でモニタすることが出来
る。

【００６９】液面の高さをモニタすることにより同時に
ポンプの駆動力を制御し、中性子発生管内の液体金属自
由表面１０の液面の高さを制御することができる。

【００７０】また、ポンプの駆動力を変えることなく液
面高さ調整器２０により液面高さを調整することが出来
る。これは、連通管２１による液面のモニタに応答し、
リザーバ４の液体金属９中に浸漬した浸漬体２０′の浸
漬深さを変化させ、リザーバ４内の液面高さを変化させ
ることにより中性子発生管３内の液面１０の高さを制御
するものである。

【００７１】これらの液面のモニタおよび高さ制御方式
は、原始的であるが単純であり強力な放射線場では信頼
性が高いという利点がある。

【００７２】図４に第２実施例の熱計算結果の一例を示
す。図４の上図のごとくパラメータｈ(上昇高さ），ｈ₁
(大気圧による液面高さ），ｈ₂(ポンプによる吹き上げ
高さ)を定義する。中性子発生管入口の液体金属温度を
Ｔin（℃），照射後の平均温度上昇をΔＴ(deg），液体
金属流量をＭ（kg／ｓ），密度をρ(kg／ｍ³），比熱を
Ｃｐ(ｊ／kg／deg），中性子発生管での全発熱量をＱ
（Ｗ）とすると，照射後の液体金属平均温度（出口温
度）Ｔout(℃）は次式で示される。

【００７３】 Ｔout＝Ｔin＋ΔＴ＝Ｔin＋Ｑｔ／(ＭＣｐ) （１）式 したがって、出口温度を設定した場合、液体金属の必要
質量流量Ｍは（１）式を変形して Ｍ＝Ｑｔ／(Ｔout−Ｔin)／Ｃｐ （２）式 このとき、中性子発生管の直径をｄ(ｍ）、液体金属の
平均流速をｕ(ｍ／ｓ）とすると ｕ＝４Ｍ／（ρπｄ²） （３）式 液体金属の上昇高さｈは、次式で示される。

【００７４】 ｈ＝ｈ₁＋ｈ₂＝Ｐ_atm／（ρｇ）＋ｕ²／（２ｇ） （４）式 式（１）−（４）より，出口温度Ｔｏｕｔをパラメータ
として、中性子発生管管径ｄと液面の上昇高さｈの関係
を求める。

【００７５】計算条件はつぎのとおりである。 １．プロトンビームによる全発熱量：３ＭＷ ２．液体金属：鉛(Ｐｂ)−ビスマス(Ｂｉ)合金(４４.５
％Ｐｂ−５５.５％Ｂｉ) 融点 １２３.６℃、 比熱 １４７Ｊ／Ｋｇ／Ｋ 密度 １０５２５kg／ｍ³ at １４９℃，１０２３７kg
／ｍ³ at ３７１℃ ２点で外挿 ３.入口温度：２００℃ ４.大気圧：１０３ｋＰａ（液面高さｈ₁＝０.９８６
ｍ） 図４の下図に計算結果を示す。図中管径の単位はcmに換
算してある。図４の下図より、中性子発生管の管径を１
０cmとすれば、上昇高さｈは何れの出口温度でも１ｍ程
度になり十分実用に適していることが解る。

【００７６】出口温度４００℃の場合、上昇高さｈは、
１.０７ｍ でこのうち、大気圧による高さｈ₁は０.９８
６ｍ、ポンプによる吹き上げ高さｈ₂は０.０８４ｍであ
る。平均流速ｕは、１.３ｍ／ｓ である。出口温度を５
００℃でも良いとすると、ｈ＝１.０２ｍ，ｕ＝０.８ｍ
／ｓである。

【００７７】第２実施例の方法は、大気圧をベースの圧
力とし、ポンプ圧力で流量と液面高さを調整できるので
ポンプ負荷が少なくて済むという利点がある。もちろ
ん、本実施例２は、液体金属の種類によっては取扱上リ
ザーバ４を大気開放せず、閉ループにすることも可能で
ある。

【００７８】本発明の第３実施例である中性子発生装置
について図５を用いて説明する。図５は蒸気蒸着部２の
内部に蒸着表面積を大きくするためのフィン２３を設け
た実施例を示している。

【００７９】本実施例の中性子発生装置は蒸気蒸着部２
の容器の外部容積を小さくできかつ容器形状も製作しや
すくメンテナンス時の取扱も容易なものにすることが出
来るという利点がある。

【００８０】以上の第１〜３実施例で説明してきた本発
明では加速器系と中性子発生装置は真空的に直結されて
いる。一方、メンテナンス時には、中性子発生装置を設
置場所から別の場所に取り出す必要がある。

【００８１】これらの作業は残留放射能が強いため、大
部分リモートハンドリングにせざるを得ない。したがっ
て、如何に簡単に真空容器を切り離すかまた、接続する
かが要点である。

【００８２】本発明の第４実施例として本発明の中性子
発生装置の真空容器の切り離しおよび接合方法を示す。

【００８３】図６を用いて説明する。先ず切り離す場合
を考える。加速器系と中性子発生装置の間に設けられた
電磁弁を閉め加速器系と中性子発生装置を真空的に切り
離す。

【００８４】次に蒸気蒸着部２を大気開放すれば、中性
子発生管３内液体金属はリザーバ４に落ちる（図６左図
の状態）。次に中性子発生装置の上方にある加速器ビー
ムラインのダクトを解体する（もちろんここにも電磁弁
ないしは手動のバルブが必要。）。

【００８５】その後、図６の右図のごとく蒸気蒸着部２
および中性子発生管３を引き上げて切り離し完了。

【００８６】逆に容器を接続する場合は、全くこれと逆
の手順にすれば良い。これまで荷電粒子ビームを垂直な
いしは斜めから液体金属に照射する場合について考えて
きたが、最後に水平に荷電粒子を入射させる場合の第５
実施例について図７を用いて説明する。

【００８７】ポンプ１７から中性子発生管３に液体金属
９を送り込む。ここで中性子発生管３は、実施例２にお
ける噴流管１６の役割をしている。中性子発生管３を出
た液体金属９は捕集管２７に集められリザーバ４に送ら
れる。

【００８８】ここで捕集管２７は実施例２の中性子発生
管の外管のように大気開放されたリザーバ４に浸漬され
ている。リザーバ４に送られた液体金属９は、さらに熱
交換器で冷却された後、供給用リザーバ２８に貯えられ
た後、ポンプ１７に吸い上げられフィルタ１８を介し再
び中性子発生管３に送られる。

【００８９】ここで中性子発生管３が水平方向に向いた
ものを水平放流型中性子発生管と呼ぶ。

【００９０】この方式では、中性子の発生状況のモニタ
等で内部状態を常時チェックしており、例えばポンプ１
７が故障し中性子発生管３内の液体金属９が喪失した場
合、速やかにビームを停止することができる。

【００９１】同時に、万一空打ちになった場合でも緊急
用ダンパ２９があるので安全である。

【００９２】水平方式の場合、加速器系と簡単に切り離
すためにボルトレス大口径フランジ３０を用いる。これ
はボルトを用いず大気圧を用いて真空容器の気密性を保
つフランジである。

【００９３】例えば直径１ｍのフランジにかかる大気圧
による全圧力は、約８kg重である。この圧力を例えば、
直径１ｍのバイトンＯリングが幅５mmで受けたとすると
500kg重／ｍ² の圧力となり十分気密性が保たれること
が解る。

【００９４】圧力を受けるＯリングの幅がほぼ一定とす
ると大気圧による全圧力はフランジの直径の２乗で大き
くなるのに対してＯリングの圧力を受ける面積は、直径
に比例するだけであるので、フランジ径が大きくなれば
なるほどＯリングの締め付け圧力は増大する。

【００９５】したがって、ボルトレス大口径フランジ３
０の径は出来るだけ大きい方が望ましい。もちろんこの
フランジは、大気開放するだけで取り外すことが出来
る。また、このボルトレス大口径フランジ３０に蒸気発
生部２の機能を持たせることも有効である。

【００９６】以上第１実施例から第５実施例では、鉛お
よび鉛（Ｐｂ）−ビスマス（Ｂｉ）合金を例にとって説
明したが本発明は水銀等他の中性子発生量の多い液体金
属にも有効である。

【００９７】また、中性子発生装置を中性子散乱施設に
用いた例をとって説明をしてきたが、本発明の中性子発
生装置は超ウラン元素の核破砕消滅処理施設や材料中性
子照射試験施設等の他の施設の中性子発生装置としても
もちろん応用可能である。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、核破砕反応による中性
子発生数の多い液体金属をターゲット材としながらも、
プロトンをはじめとする荷電粒子ビームによる構成材料
の損傷が少なく、構成の簡素な中性子発生装置が提供出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を表す図である。

【図２】Ｅ×Ｂドリフト排気装置の動作原理を説明する
図である。

【図３】本発明の第２実施例を表す図である。

【図４】本発明の熱計算の説明を表す図であり、（ａ）
図はパラメータを表す図であり、（ｂ）図は熱計算結果
を表すグラフ図である。

【図５】本発明の第３実施例を表す図であり、（ａ）図
はフィンの水平配置を、（ｂ）図はフィンの垂直配置を
表す図である。

【図６】本発明の第４実施例を表す図である。

【図７】本発明の第５実施例を表す図である。

【図８】従来法を説明する図である。

【図９】核破砕反応により発生する発熱のターゲット深
さ方向分布を表す図である。

【符号の説明】

１…中性子発生装置、２…蒸気蒸着部、３…中性子発生
部、３′…導管、４…リザーバ、５…Ｅ×Ｂドリフト排
気装置、６…高エネルギー荷電粒子、７…偏向電磁石、
８…中性子減速器、９…液体金属、１０…液体金属自由
表面、１１…蒸発金属原子、１２…大気開放部自由表
面、１３…開口部、１４…イオン、１５…電子、１６…
噴流管、１７…ポンプ、１８…フィルタ部、１９…熱交
換器、２０…液面高さ調整器、２０′…浸漬体、２１…
連通管、２２…鉛−ビスマス液体、２３…フィン、２４
…水銀、２５…水銀導入管、２６…水銀出口管、２７…
捕集管、２８…供給用リザーバ、２９…緊急用ダンパ、
３０…ボルトレス大口径フランジ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ２１Ｋ 5/04 Ｇ２１Ｋ 5/04 Ａ 5/08 5/08 Ｎ Ｈ０５Ｈ 3/06 Ｈ０５Ｈ 3/06 6/00 6/00 (72)発明者 土田 一輝 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 内川 貞夫 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 田川 久人 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 小川 雪郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 大橋 正久 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 Ｆターム(参考） 2G085 BA17 BD06 BE01 BE02 BE05 EA01 EA06

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 前記液体金属の自由表面の上部にゲッターポンプの蒸着
   面またはヒートサイフォンの冷却部として機能する空間
   部を設けたことを特徴とする中性子発生装置。
2. 【請求項２】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 前記荷電粒子ビームの入射口近傍にＥ×Ｂドリフト排気
   装置を有することを特徴とする中性子発生装置。
3. 【請求項３】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 大気開放されたリザーバ内に充填された液体金属中に中
   性子発生管の下端を浸漬して当該中性子発生管内上部の
   液体金属の自由表面の高さを所望の高さに保持すること
   を特徴とする中性子発生装置。
4. 【請求項４】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 大気開放または密封されたリザーバ内に充填された液体
   金属中に強制冷却式中性子発生管の下端を浸漬してある
   ことを特徴とする中性子発生装置。
5. 【請求項５】請求項４において、ポンプ駆動制御または
   液面高さ調整器により液体金属の自由表面の高さを所望
   の高さに保持することを特徴とした中性子発生装置。
6. 【請求項６】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 中性子発生装置の上流の加速器ビームダクトに差動排気
   装置と複数組みの真空測定装置および電磁弁を備えてあ
   ることを特徴とした中性子発生装置。
7. 【請求項７】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 前記液体金属の自由表面の上部にゲッターポンプの蒸着
   面を有する空間部を設け、 前記蒸着面の一部にポートを設けて前記空間部から前記
   ポートを通過させて前記空間部内部の発光を取り出すこ
   とを特徴とした中性子発生装置。
8. 【請求項８】請求項３又は請求項４又は請求項５におい
   て、大気開放されたリザーバのリザーバ上蓋面に中性子
   発生管の外径より大きな開口部を設け、中性子発生管を
   当該開口部を通して液体金属中に浸漬した構造を有する
   ことを特徴とした中性子発生装置。
9. 【請求項９】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、タ
   ーゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じる
   核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置に
   おいて、 中性子発生管を通る前記液体金属の自由表面の上部にゲ
   ッターポンプの蒸着面またはヒートサイフォンの冷却部
   として機能する空間部を設け、 前記中性子発生管が水平放流型中性子発生管であること
   を特徴とする中性子発生装置。
10. 【請求項１０】加速器で発生させた荷電粒子ビームを、
    ターゲットである液体金属の自由表面に打ち込んで生じ
    る核破砕反応により中性子を発生させる中性子発生装置
    において、 前記液体金属の自由表面の上部にゲッターポンプの蒸着
    面またはヒートサイフォンの冷却部として機能する空間
    部を設け、 前記空間部内に複数のヒィンを設けたことを特徴とする
    中性子発生装置。