JP2014025898A - 核燃料製造装置及び核燃料製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】トリウムを主原料とする核燃料を製造するときに核分裂性物質の分布を調整することが可能な核燃料製造装置及び核燃料製造方法を提供する。
【解決手段】
核燃料製造装置１００は、イオン発射部１０１と、イオン発射部１０１から発射されたイオンビームを加速する荷電粒子加速器１０２と、加速されたイオンビームを受けたときに中性子を発射する中性子発生部１０３とを備える。また、中性子の照射対象であるトリウム塊を収容する容器１０４を保持する保持部１０５が中性子発生部１０３と対向するように設けられている。イオン発射部１０１によって発射されたイオンビームは荷電粒子加速器１０２によって加速され、中性子発生部１０３へと照射される。イオンビームを受けた中性子発生部１０３は中性子を発射し、この中性子が容器１０４中のトリウム集合体に照射され、これによってトリウム集合体中にウラン２３３がドープされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トリウムを主原料とする核燃料を製造するための核燃料製造装置及び核燃料製造方法に関する。
トリウム−ウラン燃料サイクルは、天然トリウムの埋蔵量が天然ウランに比べて豊富であり、マイナーアクチノイドの生成量が少ないため高レベル放射性廃棄物の管理期間が短くて済む等、ウラン−プルトニウム燃料サイクルに対して多くの利点を有している。しかし、天然トリウムには中性子供給源となる核分裂性物質が含有されておらず、そのままでは核燃料として利用することができない。つまり、トリウム−ウラン燃料サイクル用の核燃料を得るためには、トリウムに核分裂性物質を添加する必要がある。
非特許文献１には、トリウム−ウラン燃料サイクルで運転されるトリウム熔融塩炉を起動するために、ウラン２３３を生産することが開示されている。生成されたウラン２３３はトリウム２３２の粉体等と機械により混合される。
三田地紘史、他４名、「ＢＷＲを用いたトリウム熔融塩炉起動用２３３Ｕの生成」、日本原子力学会和文論文誌、第８巻、第１号、ｐ．１−１０
しかしながら、上述したようにトリウム２３２の粉体等にウラン２３３等の核分裂性物質を機械的に混合する場合、混合が均一に行われない虞がある。また、核燃料の部位毎に核分裂性物質の含有率を調節（例えば、ある部分の含有率を２％、その他の部分の含有率を０．５％以下とする等）することはできなかった。
本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる核燃料製造装置及び核燃料製造方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の核燃料製造装置は、トリウムの集合体に対して中性子を発射する中性子発生源を備え、前記中性子発生源から発射された中性子を前記集合体に含まれるトリウム２３２に衝突させることにより、前記トリウム２３２をウラン２３３へ変化させる。
この態様において、前記中性子発生源は、荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、前記荷電粒子発生源により発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器により加速された荷電粒子が衝突したときに、中性子を発射する中性子発生部と、を具備していてもよい。
また、上記態様において、前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された一対の電極と、前記一対の電極に直流電圧を印加するための直流電源と、前記直流電源と前記一対の電極の一方とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記空間に電界を形成するためのスイッチと、前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成させる制御部と、を有していてもよい。
また、上記態様において、前記荷電粒子加速器は、前記スイッチに接続され、前記スイッチがオフからオン又はオンからオフに切り替えられたときに、前記空間に形成される電界の強さを時間に応じて増加させる応答遅れ生成部をさらに有し、前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記空間内を通過する間に、前記空間に形成される電界の強さが時間的に増加するように、前記スイッチをオン／オフ制御するように構成されていてもよい。
また、上記態様において、前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された複数の電極管をさらに備え、前記直流電源は、前記電極管に印加するための電圧を発生するように構成されており、前記一対の電極は、前記複数の電極管のうちの隣り合う一対の電極管であってもよい。
また、上記態様において、前記荷電粒子加速器は、その荷電粒子出力強度が１０ｋＷ以上２００ｋＷ以下であってもよい。
また、上記態様において、前記荷電粒子発生源は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射するように構成されており、前記電極管は、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って、空間を隔てて直列的に並べられており、前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、前記核燃料製造装置は、前記直流電源と、一の段の電極管群とを接続することにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されていてもよい。
また、上記態様において、前記荷電粒子加速器は、進行軌道１つ当たりにおける荷電粒子出力強度が１０ｋＷ以上２００ｋＷ以下であってもよい。
また、上記態様において、前記核燃料製造装置は、中性子の照射対象のトリウムの集合体を保持するための保持部を更に備えていてもよい。
また、上記態様において、前記保持部は、中性子を反射する中性子反射材によって構成されており、トリウムの集合体を取り囲むように保持し、前記中性子発生源から中性子が前記トリウムの集合体に照射されるように、前記中性子発生源と対向する部分に開口を有していてもよい。
また、上記態様において、前記保持部は、中性子を増倍する中性子増倍材によって構成されており、トリウムの集合体を取り囲むように保持可能に構成されていてもよい。この場合、前記保持部は、その中性子実効増倍率が０．９５以下であってもよい。
また、上記態様において、前記保持部は、液体のトリウムの集合体を収容する容器を保持するように構成されており、前記集合体を撹拌するための撹拌部を具備していてもよい。
また、上記態様において、前記核燃料製造装置は、互いに配置を交換可能に構成された複数のブロックからなるトリウムの集合体に対して、前記中性子発生源から中性子を照射するように構成されていてもよい。
また、本発明の一の態様の核燃料製造方法は、トリウムの集合体に対して中性子発生源から中性子を発射し、前記中性子発生源から発射された中性子を前記集合体に含まれるトリウム２３２に衝突させることにより、前記トリウム２３２をウラン２３３へ変化させる。
また、上記態様において、前記中性子発生源は、荷電粒子発生源と、荷電粒子加速器と、中性子発生部とを備え、前記核燃料製造方法は、荷電粒子発生源から荷電粒子を発射するステップと、前記荷電粒子発生源により発射された荷電粒子を荷電粒子加速器により加速するステップと、前記荷電粒子加速器により加速された荷電粒子を中性子発生部に衝突させることにより、前記中性子発生部から中性子を発射するステップと、前記中性子発生部から発射された中性子をトリウムの集合体に衝突させるステップと、を有していてもよい。
本発明に係る核燃料製造装置及び核燃料製造方法によれば、トリウム２３２を主原料とする核燃料を製造するときに核分裂性物質の分布を調整することが可能となる。
実施の形態１に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図。 実施の形態１に係る荷電粒子加速器の概略構成を示す模式図。 実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図。 加速電極管とダミー電極管との間のギャップに電界を形成するための回路を示す模式図。 保持部の構成を示す斜視図。 保持部の第１層の構成を示す斜視図。 保持部の第２層の構成を示す斜視図。 保持部の第３層の構成を示す斜視図。 実施の形態１に係る核燃料製造装置が有する制御部の処理の流れを示すフローチャート。 スイッチング素子の切り替え制御を示すタイミングチャート。 加速電極管とダミー電極管との間のギャップにおける電圧の時間的変化を示すグラフ。 スイッチング素子のオン／オフ制御を説明するための図。 イオンビームの半径方向への縮小の原理を説明する模式図。 実施の形態２に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図。 実施の形態２に係る核燃料製造装置によって製造されたトリウム核燃料におけるウラン２３３の分布状態を示すグラフ。 実施の形態３に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図。 実施の形態３に係る核燃料製造装置によって製造されたトリウム核燃料におけるウラン２３３の分布状態を示すグラフ。 実施の形態４に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図。 実施の形態４に係る核燃料製造装置によって製造されたトリウム核燃料におけるウラン２３３の分布状態を示すグラフ。 実施の形態５に係る核燃料製造装置の概略構成を示す斜視図。 実施の形態５に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図。 実施の形態５に係る荷電粒子加速器が有する加速電極管の構成を示す模式図。 実施の形態６に係るトリウム集合体の保持部の構成を示す斜視図。 実施の形態７に係るトリウム集合体の容器の構成を示す斜視図。 実施の形態８に係るトリウム集合体の保持部の構成を示す断面図。 実施の形態９に係るトリウム集合体の保持部の構成の一部を示す斜視図。
以下、図及び表を用いて本発明の実施形態について説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る核燃料製造装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る核燃料製造装置１００は、荷電粒子を発射するイオン発射部１０１と、イオン発射部１０１から発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器１０２と、荷電粒子加速器１０２によって加速された荷電粒子を受けたときに中性子を発射する中性子発生部１０３とを備えている。また、中性子の照射対象であるトリウム塊を収容する容器１０４を保持する保持部１０５が中性子発生部１０３と対向するように設けられている。なお、中性子照射対象のトリウム塊は、大部分のトリウム２３２と、極めて少量のトリウム２３２の同位体とによって構成されている。本明細書において、トリウム２３２とその同位体との混成物を指す場合には「トリウム」と表記し、トリウム２３２のみを指す場合には「トリウム２３２」と表記する。
図２は、荷電粒子加速器１０２の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る荷電粒子加速器１０２は、線形加速器である。図２に示すように、荷電粒子加速器１０２は、荷電粒子を発射するイオン発射部１０１と、複数の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８を備えている。イオン発射部１０１は、荷電粒子からなるイオンビームを発射可能に構成されている。以下の説明では、イオン発射部１０１の荷電粒子発射方向を「前方」といい、前記荷電粒子発射方向の反対方向を「後方」という。
イオン発射部１０１の前方には、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８が並べて配置されている。イオン発射部１０１に最も近接した加速電極管Ｔ１の前後それぞれには、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２が設けられている。つまり、加速電極管Ｔ１は、ダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２によって挟まれた状態で配置されている。後側のダミー電極管ＤＴ２のさらに後方には、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，…，Ｔ２８が順番に配置されている。
図３は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器の構成の一部を示す模式図である。図３に示すように、荷電粒子加速器１０２は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１の出力電圧は６０ｋＶであり、高電圧直流電源Ｐ２の出力電圧は２０ｋＶである。
高電圧直流電源Ｐ１は、陰極がスイッチング素子ＳＷＲ１を介して加速電極管Ｔ１に接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに接続されている。一方、高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
高電圧直流電源Ｐ２は、陽極がスイッチング素子ＳＷＦ１を介して加速電極管Ｔ１に接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＦ２を介して加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＦ３を介して加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＦ４，ＳＷＦ５，…，ＳＷＦ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに接続されている。一方、高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
加速電極管Ｔ１は浮遊容量を持っており、浮遊容量によるコンデンサＣの一方の電極は加速電極管Ｔ１に接続されており、コンデンサＣの他方の電極は接地されている。
これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１とが接続されて、加速電極管Ｔ１の電位が変化する。ここで、後述するように、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにした後、加速電極管Ｔ１の電位は一次遅れで変化し、最終的に−６０ｋＶとなる。
他方、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにすると、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１との接続は遮断され、高電圧直流電源Ｐ１と加速電極管Ｔ１とが接続されて、加速電極管Ｔ１の電位が変化する。ここでも、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ２、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系を構成する。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにした後、加速電極管Ｔ１の電位は一次遅れで変化し、最終的に２０ｋＶとなる。
他の加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８についても同様に浮遊容量を持っており、スイッチング素子ＳＷＲｎをオンにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオフにすると、加速電極管Ｔｎの電位は一次遅れで−６０ｋＶに漸近する（ｎは２〜２８の整数）。また、スイッチング素子ＳＷＲｎをオフにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオンにすると、加速電極管Ｔｎの電位は２０ｋＶに漸近する。
図３に示すように、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１との間には所定距離の間隙が設けられている。この空間（以下、「ギャップ」という。）ＧＤ１が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１とは絶縁されている。同様に、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ２との間にもギャップＧＤ２が設けられている。また、ダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ２との間にもギャップＧ１が設けられており、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。さらに、ダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２のそれぞれは接地されている。
このように、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間にギャップＧＤ１，ＧＤ２が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１に電圧が印加されると、ギャップＧＤ１，ＧＤ２には電界が形成される。同様に、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、これらの加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップを通過する荷電粒子が加速される。
図４は、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間のギャップＧＤ１，ＧＤ２に電界を形成するための回路を示す模式図である。スイッチング素子ＳＷＲ１は、オン抵抗ＲＲ１及びＲＲ２を有している。図４に示すように、スイッチング素子ＳＷＲ１は加速電極管Ｔ１の後部に接続されており、抵抗ＲＲ１、スイッチング素子ＳＷＲ１、及び抵抗ＲＲ２は直列接続されているものとして示される。また、抵抗ＲＲ２には、高電圧直流電源Ｐ１の陰極が接続されており、高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。一方、加速電極管Ｔ１の前部には、スイッチング素子ＳＷＦ１が接続されている。スイッチング素子ＳＷＦ１はオン抵抗ＲＦ１及びＲＦ２を有しており、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、及び抵抗ＲＦ２のそれぞれは直列接続されているものとして示される。抵抗ＲＦ２には、高電圧直流電源Ｐ２の陽極が接続されており、高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。また、加速電極管Ｔ１には、上述したように浮遊容量としてのコンデンサＣが存在する。等価回路として、この浮遊容量であるコンデンサＣの一方の電極が加速電極管Ｔ１接続されており、コンデンサＣの他方の電極が接地されていると考えることができる。したがって、スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＲ１、スイッチング素子ＳＷＲ１、抵抗ＲＲ２、及び高電圧直流電源Ｐ１の回路が形成される。この回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１には一次遅れで負の電位が印加される。また、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンとされると、コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路が形成される。この回路もまた一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１には一次遅れで正の電位が印加される。
荷電粒子加速器１０２は、ＦＰＧＡにより構成された制御部１１２を有している。この制御部１１２は、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１に接続されており、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１を駆動することが可能である。また、図では省略したが、制御部１１２は、各スイッチング素子ＳＷＲ２〜ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２〜ＳＷＦ２８にも接続されており、これらのスイッチング素子ＳＷＲ２〜ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２〜ＳＷＦ２８も駆動することができる。さらに、制御部１１２は、イオン発射部１０１にも接続されており、イオン発射部１０１を制御することができる。
次に、中性子発生部１０３について説明する。中性子発生部１０３は、荷電粒子加速器によって加速された荷電粒子（陽子又は重陽子）が衝突したときに中性子を発生する物質、例えばリチウム又はベリリウムによって構成されている。かかる中性子発生部１０３は、図１に示すように、荷電粒子加速器１０２の前方、即ち、荷電粒子加速器１０２の荷電粒子照射側に配置されている。荷電粒子加速器１０２によって加速された荷電粒子は中性子発生部１０３へと照射され、これにより中性子発生部１０３から中性子が発射される。
かかる中性子発生部１０３には、冷却ユニット１０３ａが併設されている。冷却ユニット１０３ａは水冷式の冷却装置であり、中性子発生部１０３を冷却することが可能である。
次に、保持部１０５の構成について説明する。図５は、保持部１０５の構成を示す斜視図である。図５に示すように、保持部１０５は立方体の複数のブロック１０６により構成されている。各ブロック１０６はアクリル樹脂製である。アクリル樹脂は中性子を反射する性質を有している。保持部１０５は、前方から第１層１０５ａ、第２層１０５ｂ、及び第３層１０５ｃの３つの層により構成されている。
図６Ａは、第１層の構成を示す斜視図である。第１層１０５ａは、８個のブロック１０６によって構成されている。即ち、１辺が３個のブロック１０６からなる正方形を形成するように８個のブロックが並べられて第１層１０５ａが構成されている。つまり、第１層１０５ａは、正面視において、中央部分が欠落した正方形をなしている。ブロック１０６は、１辺が２５ｃｍの立方体である。
図６Ｂは、第２層の構成を示す斜視図である。第２層１０５ｂもまた、８個のブロック１０６によって構成されている。即ち、１辺が３個のブロック１０６からなる正方形を形成するように８個のブロックが並べられて第２層１０５ｂが構成されている。また、第２層１０５ｂの正面視中央部分には、ブロック１０６と同一形状のステンレス合金製の容器１０４が配置されている。この容器１０４には、中性子照射対象のトリウムが収容される。収容されるトリウムとしては、金属トリウムの塊（１辺３ｃｍ程度の立方体）、又は二酸化トリウムのペレット（直径８．２ｍｍ、高さ１３．５ｍｍ）の固体のトリウムの集合体（以下「トリウム集合体」という。）である。
図６Ｃは、第３層の構成を示す斜視図である。第３層１０５ｃは、９個のブロック１０６によって構成されている。即ち、１辺が３個のブロック１０６からなる正方形を形成するように８個のブロックが並べられて第３層１０５ｃが構成されている。つまり、第３層１０５ｃは、正面視において、前述した第１層１０５ａの中央部分にもブロック１０６が配置された如き構成となっている。
以上のような第１層１０５ａ、第２層１０５ｂ及び第３層１０５ｃが連なった状態で固着されることで、保持部１０５が構成されている。即ち、保持部１０５は、１辺が３個のブロック１０６からなる立方体形状をなしている。また、保持部１０５の正面中央は、ブロック１個分の開口が設けられており、この開口を通じて容器１０４が露出している。
図１に示すように、保持部１０５は、その開口側（正面側）を中性子発生源１０３へ向けて、中性子発生源１０３の前方に配置される。このため、中性子発生源１０３から発射された中性子の少なくとも一部は、開口を通じて容器１０４の内部のトリウム集合体に照射されることとなる。
次に、実施の形態に係る核燃料製造装置１００の動作について説明する。図７は、実施の形態１に係る核燃料製造装置１００が有する制御部１１２の処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御部１１２は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、加速電極管Ｔ１には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶとなる。
また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとされる。
次に制御部１１２は、イオン発射部１０１を制御して、イオンビームを発射させる（ステップＳ２）。イオン発射部１０１は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを発射する。イオン発射部１０１から発射されたイオンビームは、ダミー電極管ＤＴ１を通過し、ギャップＧＤ１に進入する。この時点において、ダミー電極管ＤＴ１の電位はアース電位であり、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧＤ１には、電界が形成されている。この電界の向きは、ダミー電極管ＤＴ１から加速電極管Ｔ１へ向かう方向、即ち前方である。イオンビームに含まれる荷電粒子は正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧＤ１を通過する間にこの電界によって加速され、加速電極管Ｔ１に進入する。ギャップＧＤ１では全てのイオンビームが等電界で加速を受けるため、後述するようなイオンビームの軸長方向への収束作用は働かない。
次に制御部１１２は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央部分に位置していることになる。
ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部１１２はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。したがって、加速電極管Ｔ１には、正の電位が印加される。
図８は、スイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１の切り替え制御を示すタイミングチャートである。図において、横軸は時間を、縦軸はスイッチング素子ＳＷＲ１及びＳＷＦ１のオン／オフ状態を示している。ｔ０はイオン発射部１０１からイオンビームが発射される時刻を、t１はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ１の後端に到達する時刻を、t２はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ１の前端に到達する時刻を、t３はイオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の後端に到達する時刻を、t４はイオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に到達する時刻を、t５はイオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の前端に到達する時刻を、t６はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ２の後端に到達する時刻を、t７はイオンビームのリーディングエッジがダミー電極管ＤＴ２の前端に到達する時刻を、それぞれ示している。また、ｔｓ１は時刻ｔ１から時刻ｔ２に至る期間を、ｔｓ２は時刻ｔ２から時刻ｔ３に至る期間を、ｔｓ３は時刻ｔ３から時刻ｔ５に至る期間を、ｔｓ４は時刻ｔ５から時刻ｔ６に至る期間を、ｔｓ５は時刻ｔ６から時刻ｔ７に至る期間を、それぞれ示している。
図８に示すように、イオンビームが発射される時刻ｔ０において、スイッチング素子ＳＷＲ１はオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１はオフとされている。イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の中央に位置する時刻ｔ４において、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンに切り替えられる。
図９は、ギャップＧＤ１における電圧の時間的変化を示すグラフである。図に示すように、時刻ｔ０〜ｔ４においては、スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされているため、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶである。また、ダミー電極管ＤＴ１の電位は０であるから、ギャップＧＤ１における電位差は６０ｋＶとなる。上述したように、時刻ｔ４において、スイッチング素子ＳＷＲ１がオフに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオンに切り替えられることで、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、加速電極管Ｔ１と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。これにより、加速電極管Ｔ１の電位は上昇する。
コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１の電位（つまり、ギャップＧＤ１における電位差）は、時間の経過に応じて上昇する。
ここで、ダミー電極管ＤＴ２の電位は０であるため、ギャップＧＤ２における電位差は、時間の経過に応じて上昇する。イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔ１の後端に位置する時点ｔ５において、加速電極管Ｔ１の電位は０Ｖ以上となっている。すなわち、加速電極管Ｔ１の長さ、ギャップＧＤ２の長さ、コンデンサＣの容量、抵抗ＲＦ１及びＲＦ２の抵抗値等は、時刻ｔ５においてギャップＧＤ２にイオンビームを加速させる電界を発生させ、且つ、その電界の強さが更に過渡現象による上昇過程の途中となるように設定される。つまり、時刻ｔ５においては、ギャップＧＤ２における電位差は２０ｋＶに到達していない。本実施の形態においては、時刻ｔ６においても、ギャップＧＤ２における電位差は２０ｋＶに到達せず、時刻ｔ７の付近において２０ｋＶとなるように設定されている。
このように、ギャップＧＤ２に発生した電界は、イオンビームがギャップＧＤ２を通過する期間ｔｓ４において単調増加する。ギャップＧＤ２における電位差が正であれば、ギャップＧＤ２における電界の向きはイオンビームの進行方向と一致している。このため、ギャップＧＤ２における電界の強さが大きい程、荷電粒子はその進行方向へ強く加速される。つまり、イオンビームに含まれる荷電粒子は、イオンビームの中で後方に位置する程、ギャップＧＤ２に発生する電界によって進行方向へ強く加速される。したがって、イオンビームがギャップＧＤ２を通過することにより、当該イオンビームは軸方向に凝縮されバンチが形成される。
イオンビームが加速電極管Ｔ１の中央に位置してから、ギャップＧＤ２を通過するまでの期間は、加速電極管Ｔ１の長さ、ギャップＧＤ２の大きさ、及びイオンビームの速度によって様々であるが、５ナノ秒〜４５０ナノ秒である。このため、イオンビームがギャップＧＤ２を通過する間に、ギャップＧＤ２に発生する電界の強さを一次遅れで変化させるためには、ＲＣ回路の時定数を５〜４５０ナノ秒の範囲で設定することが好ましい。本実施の形態では、時定数を５０ナノ秒として設定する。
図７に示す制御部１１２の処理の説明に戻る。制御部１１２は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、対応する切替時間が予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、イオンビームのリーディングエッジが加速電極管Ｔｑの中央部分に位置していることになる。
ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、制御部１１２はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、加速電極管Ｔｑと高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、加速電極管Ｔｑと高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、加速電極管Ｔｑには、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、加速電極管Ｔｑに含まれる浮遊容量の影響で加速電極管Ｔｑの電位は＋２０ｋＶに漸近する。
ここで、加速電極管Ｔｑに後続する加速電極管Ｔｑ＋１には、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、加速電極管Ｔｑ＋１の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管ＴｑとＴｑ＋１との間のギャップＧｑにおける電位差は８０ｋＶであり、ギャップＧｑにおける電界の向きは加速電極管Ｔｑから加速電極管Ｔｑ＋１へ向かう方向、即ち前方である。これにより、イオンビームはギャップＧｑを通過する間にこの電界によって加速されることになる。加速電極管Ｔ１の場合と異なり、加速電極管Ｔｑではスイッチング素子ＳＷＲｑのオン抵抗が小さな値に設定されており、一次遅れの時定数が５ナノ秒未満の非常に小さい値となっている。このため、イオンビームがギャップＧｑを通過する時刻では加速電極管Ｔｑの電位はほぼ２０ｋＶに近い値となっている。従って、ギャップＧｑを通過することでイオンビームが軸方向に凝縮される効果は殆どないと言ってよい。
制御部１１２は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、制御部１１２は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器１０２の動作初期には−６０ｋＶに印加されていた加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８の電位が順次２０ｋＶに切り替えられる。
図１０は、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御を説明するための図である。以下の説明では、ｎが２〜２６の整数を示すものとする。イオンビームに含まれる荷電粒子が加速電極管Ｔｎの軸長方向中央を通過するときには（図中、１行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎがオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦｎがオフとされる。このため、加速電極管Ｔｎの電位は＋２０ｋＶとなっている。一方、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１及びＳＷＲｎ＋２はオフ（初期状態）とされ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１及びＳＷＦｎ＋２がオン（初期状態）とされている。つまり、加速電極管Ｔｎに後続する加速電極管Ｔｎ＋１，加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎには８０ｋＶの電位差が生じており、ギャップＧｎにおける電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致している。なお、ギャップＧｎ＋１の電位差は０であり、ギャップＧｎ＋１には電界が生じていない。
荷電粒子はギャップＧｎを通過し、このときギャップＧｎの電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋１に進入する（図中、２行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋１の軸長方向中央を通過するときには（図中、３行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋１がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋１がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋１の電位は＋２０ｋＶに変化する。このとき、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２及びＳＷＦｎ＋２のそれぞれは初期状態から変化しない。したがって、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は−６０ｋＶとなっている。このため、ギャップＧｎ＋１には８０ｋＶの電位差が生じ、ギャップＧｎ＋１における電界の向きは荷電粒子の進行方向と一致する。
荷電粒子はギャップＧｎ＋１を通過し、ギャップＧｎ＋１の電界により加速される。加速された荷電粒子は、次の加速電極管Ｔｎ＋２に進入する（図中、４行目）。荷電粒子が加速電極管Ｔｎ＋２の軸長方向中央を通過するときには（図中、５行目）、スイッチング素子ＳＷＲｎ＋２がオンに切り替えられ、スイッチング素子ＳＷＦｎ＋２がオフに切り替えられる。このため、加速電極管Ｔｎ＋２の電位は＋２０ｋＶに変化する。
このように、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７の電位差が次々に０から８０ｋＶに切り替わり、ギャップＧ２，Ｇ３，Ｇ４，…，Ｇ２７を通過することで、荷電粒子が加速される。
イオンビームは、静電レンズ又は４極電場回路を設けなければ、空間電荷効果によってその半径方向（軸長方向に直交する方向）に拡大される。本実施の形態においては、各ギャップＧＤ１，ＧＤ２，及びＧ１，Ｇ２，…，Ｇ２７に発生する電界が静電レンズとして機能する。つまり、イオンビームがギャップＧｎを通過するとき、ギャップＧｎに生じている電界の静電レンズ効果によって、イオンビームが半径方向に縮小される。図１１は、イオンビームの半径方向への縮小の原理を説明する模式図である。加速電極管Ｔｎの電位が２０ｋＶであり、加速電極管Ｔｎ＋１の電位が−６０ｋＶである場合、図に示すように、ギャップＧｎには電界が発生する。この電界は、静電凸レンズとして機能し、ギャップＧｎを通過するイオンビームをその半径方向に収束させる。イオンビームの収束作用の強さ、つまり、静電レンズの焦点距離は、電界の強さにより変化する。電界の強さは、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の電位差の大きさ、ギャップＧｎの軸長方向の長さにより定まる。したがって、加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の電位差、又は、ギャップＧｎの軸長方向の長さを調整することで、イオンビームが加速電極管の内壁に衝突しないよう、イオンビームの半径方向の大きさを適切に設定することができる。
ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御部１１２は、処理を終了する。
以上のように、本実施の形態においては、イオン発射部１０１から発射されたイオンビームがギャップＧＤ１を通過するときに、ギャップＧＤ１には時間に応じて変化しない電界が発生している。この電界の向きは、イオンビームの進行方向と一致しており、イオンビームはこの電界を通過するときに加速される。また、イオンビームがギャップＧＤ１を通過するときには、軸長方向へのビーム凝縮（収束）は行われない。また、イオンビームがギャップＧＤ２を通過するときに、ギャップＧＤ２には時間に応じて強度が大きくなる電界が発生している。この電界の向きは、イオンビームの進行方向と一致しており、イオンビームはこの電界を通過するときに加速される。また、イオンビームはギャップＧＤ２を通過するときに、電界の強さの時間的変化により、その軸長方向に凝縮される。
また、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８では、オン抵抗が小さなスイッチング素子で電位が切り替えられるため、時定数が５ナノ秒未満と小さく、実質的に遅れを生じることなく加速電極管Ｔｎの電位が２０ｋＶになる。したがって、イオンビームがギャップＧｎを通過するとき、このギャップＧｎにおける電位差が時間的に変化することがない。したがって、イオンビームはギャップＧｎを通過するときに、イオンビーム全体が均等に所定の加速電圧を受けることになる。このように、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１０２は、イオンビームを均等に加速する要素と、イオンビームを軸長方向に凝縮する要素とを有しているので、イオンビームの加速及び適切なバンチ（荷電粒子群）形成の両立が可能となる。
本実施の形態に係る荷電粒子加速器から、イオンビームを軸長方向に凝縮する要素がなくなれば、イオンビームは空間電荷効果等により軸長方向に長くなってしまう。例えば、隣り合う２つの加速電極管のうち、前方の加速電極管の中央位置をイオンビームのリーディングエッジが通過する時点で、そのイオンビームの後端が後方の加速電極管から出ていない場合には、前方の加速電極管の電位を切り替えると、これらの２つの加速電極管の間の電位差が０になる。したがって、この場合にはイオンビームの前側部分は加速されるが、後側部分は加速されなくなる。このように、加速電極管の長さに対してイオンビームが長くなり過ぎると、適切な加速を行うことができない。したがって、荷電粒子加速器では、イオンビームの電気力線が遮断されている間、即ち、イオンビームの全体が加速電極内部（導体の内部）に収納されている間に加速電極管の電位を切り替える必要がある。このため、生成するイオンビームの長さよりも長い加速電極管が必要となる（例えば、長さ６ｍのイオンビームを加速しようとすれば長さ６ｍ以上の加速電極管が必要となる）。イオンビームが常に３０ｃｍの長さを維持するよう制御される場合には、加速電極管はたかだか３０ｃｍ程度の長さがあればよい。１０段の線形加速器の場合（加速電極管が１０個直列配置される場合）、前者では加速電極管の総長は６０ｍ以上に至るのに対し、後者では３ｍ程度でおさまる。
また、イオンビームに含まれる電荷量は用途によって様々である。例えば、医療用では、電荷量の少ないイオンビームが求められる。一方、エネルギー分野の用途では、電荷量の多いイオンビームが求められる。本実施の形態に係る荷電粒子加速器では、イオンビームを凝縮する電界を１つのギャップＧＤ２において発生させるように構成したが、イオンビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を増やすことで、電荷量が多く空間電荷効果のさらに大きなイオンビームを凝縮することも可能となる。つまり、イオンビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を調節することで、様々な電荷量を持つイオンビームに対して適切な凝縮（バンチ形成）を行うことが可能となる。
このようにして加速されたイオンビームは、荷電粒子加速器１０２から中性子発生部１０３へと発射される。中性子発生部１０３では、イオンビームが照射されることにより中性子が放出される。放出された中性子の少なくとも一部は、開口を通じて容器１０４の内部のトリウム集合体に照射される。また、中性子発生部１０３から放出された中性子の中には、保持部１０５に進入するものもある。保持部１０５は中性子反射材であるアクリル樹脂により構成されているため、保持部１０５の内部において中性子が反射され、かかる反射された中性子が容器１０４の内部のトリウム集合体へと照射される。
また、荷電粒子加速器１０２から中性子発生部１０３へイオンビームが照射されると、中性子発生部１０３が加熱する。このため、核燃料製造装置１００が動作している間は、冷却ユニット１０３ａが中性子発生部１０３を冷却するようになっている。
トリウム集合体に中性子が照射されると、トリウム２３２の一部が中性子を吸収し、トリウム２３３へ変化する。トリウム２３３はプロトアクチニウム２３３を経て、ウラン２３３へと変化する。このようにしてトリウム集合体の内部において核分裂性物質であるウラン２３３が生成され、ウラン２３３がドープされたトリウムを主原料とした核燃料（以下「トリウム核燃料」という。）が製造される。なお、ここでいう「ウラン２３３がドープされる」とは、トリウム集合体に中性子が照射されることによりトリウム２３２の一部がウラン２３３へ変化することを意味する。
例えば、トリウム集合体の内部の中性子束が２×１０１３個／ｃｍ２・秒程度の強度となるように中性子線を照射した場合、約６５６８時間（約２７３日間）中性子線を照射し続けることで、トリウム集合体に２％のウラン２３３をドーピングすることができる。
荷電粒子加速器１０２における加速電圧が６ＭＶ、加速電流が２５ｍＡである場合、荷電粒子加速器１０２におけるイオンビームの出力強度は１５０ｋＷである。この場合において、荷電粒子として重陽子が、中性子発生部１０３における中性子発生物質としてベリリウムが採用されたとき、核燃料製造装置１００における中性子発生強度は１．７５×１０１４個／秒となる。
荷電粒子加速器１０２のイオンビーム出力強度が低すぎると、中性子発生強度が小さく、トリウム集合体にウラン２３３を効率よくドープすることができなくなる。その一方、荷電粒子加速器１０２のイオンビーム出力強度が高すぎると、中性子発生強度が高まるものの、中性子発生部１０３が過度に高温となり、冷却ユニット１０３ａによる冷却では不十分であることが考えられる。このため、イオンビームの出力強度は、１０ｋＷ以上２００ｋＷ以下の範囲で設定することが好ましい。
本実施の形態に係る核燃料製造装置１００によれば、イオン発射部１０１、荷電粒子加速器１０２、及び中性子発生部１０３によってトリウム核燃料を製造することができ、再処理工場、原子炉等の大規模な施設を必要とせずにトリウム核燃料を製造することができる。したがって、大規模な施設を利用してトリウム核燃料を製造する場合に比べて、製造設備を小規模とすることが可能となり、製造コストを低減することができる。
また、中性子をトリウム集合体へ照射することによりトリウム集合体にウラン２３３をドーピングするため、トリウム集合体に核分裂性物質を機械的に混合する場合に比べて、トリウム核燃料中のウラン２３３の分布を均一化することが容易となる。さらに、トリウム集合体（が収容される容器１０４）の特定の部分が中性子発生部１０３に面する時間が、他の部分が中性子発生部１０３に面する時間より長くすることで、トリウム核燃料の前記特定の部分におけるウラン２３３の含有率を、その他の部分における含有率より大きくすることができるなど、トリウム核燃料におけるウラン２３３の分布を容易に調節することが可能となる。
本実施の形態に係る荷電粒子加速器１０２において、加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８の少なくとも１つに、オン抵抗の大きなスイッチング素子を接続してもよい。このようにすることで、当該スイッチング素子が接続された加速電極管の浮遊容量とオン抵抗とによって一次遅れ系が構成される。これにより、その加速電極管Ｔｎに対応するスイッチング素子ＳＷＲｎがオフにされ、同時にスイッチング素子ＳＷＦｎがオンにされると、加速電極管Ｔｑの電位が−６０ｋＶから一次遅れで２０ｋＶに変化する。このように、オン抵抗の大きなスイッチング素子を取り付ける加速電極管の数を調節することで、イオンビームを凝縮する電界を発生させるギャップの数を調節することが可能となる。
このような構成とすることにより、荷電粒子加速器１０２に高周波電源を備える必要がない。また、従来の荷電粒子加速器では、高周波の位相をイオンビームのギャップ通過と同期させる必要があり、このため、加速電極管の長さを精密に調整することが必要であった。本実施の形態に係る荷電粒子加速器１０２では、加速電極管の長さを調整することで、イオンビームのギャップ通過と加速電界の発生タイミングとの同期を取るのではなく、イオンビームがギャップを通過する間に加速電界の強さが増加するように、スイッチング素子のオン／オフ切替のタイミングを調整すればよい。このため、従来に比べて加速電極管の長さを精密に調整する必要がなく、加速電極管の製造コストを低減することが可能となる。
また、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１０２では、高周波電源を必要としない。高周波電源を使用する場合、ギャップを通過する微少な時間に荷電粒子を加速するためには、数百メガＨｚ以上の周波数の高周波電圧が必要であり、長距離にわたる加速器を駆動するためには水冷クライストロン管（真空管）を用いた高周波電源装置が不可欠である。このような高価な高周波電源を使用する必要がないため、本実施の形態に係る荷電粒子加速器１０２では、従来に比して大幅なコスト低減が可能となる。
（実施の形態２）
図１２は、実施の形態２に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る核燃料製造装置２００は、荷電粒子を発射するイオン発射部２０１と、イオン発射部２０１から発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器２０２と、荷電粒子加速器２０２によって加速された荷電粒子を受けたときに中性子を発射する中性子発生部２０３とを備えている。また、中性子の照射対象であるトリウム塊が収容された容器２０４が中性子発生部２０３の前方に設けられている。
なお、イオン発射部２０１、荷電粒子加速器２０２、中性子発生部２０３、及び冷却ユニット２０３ａそれぞれの構成は、実施の形態１で説明したイオン発射部１０１、荷電粒子加速器１０２、中性子発生部１０３、及び冷却ユニット１０３ａそれぞれの構成と同様であるので、その説明を省略する。また、容器２０４及びその内容物であるトリウム集合体の構成は、実施の形態１で説明した容器１０４及びトリウム集合体の構成と同様であるので、その説明を省略する。即ち、本実施の形態２に係る核燃料製造装置２００は、実施の形態１に係る核燃料製造装置１００から保持部１０５を取り除いたものと同様の構成である。
本実施の形態に係る核燃料製造装置２００では、トリウム集合体の周囲に中性子反射材が設けられていないので、中性子発生部２０３から発射された中性子のみがトリウム集合体の正面側に照射され、トリウム集合体のその他の面（上下面、左右側面、及び背面）には中性子が照射されることがない。このため、製造されるトリウム核燃料では、正面側の部分においてウラン２３３が多く分布することとなる。
図１３は、製造されたトリウム核燃料におけるウラン２３３の分布状態を示すグラフである。図において縦軸はウラン２３３の相対的な発生量（ドーピング濃度）を示し、横軸はトリウム核燃料の正面端からの距離を示している。図に示すように、ウラン２３３はトリウム核燃料の正面側において高い濃度でドーピングされており、背面側へ向かうにしたがって急峻にその濃度が減少している。このように、中性子をトリウム集合体の正面側から照射し、トリウム集合体の周囲に中性子反射材及び中性子増倍材を配置しなければ、正面側周辺部にのみ高濃度のウラン２３３がドーピングされているトリウム核燃料を製造することが可能となる。
（実施の形態３）
図１４は、実施の形態３に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る核燃料製造装置３００は、２つの中性子発生源３１０及び３２０が、トリウム集合体を収容する容器３０４を前後から挟むように配置された構成である。即ち、本実施の形態に係る核燃料製造装置３００では、トリウム集合体に前後両方から中性子を照射するようになっている。
中性子発生源３１０は、荷電粒子を発射するイオン発射部３１１と、イオン発射部３１１から発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器３１２と、荷電粒子加速器３１２によって加速された荷電粒子を受けたときに中性子を発射する中性子発生部３１３と、中性子発生部３１３を冷却するための冷却ユニット３１３ａとを備えている。また、中性子発生源３２０は、荷電粒子を発射するイオン発射部３２１と、イオン発射部３２１から発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器３２２と、荷電粒子加速器３２２によって加速された荷電粒子を受けたときに中性子を発射する中性子発生部３２３と、中性子発生部３２３を冷却するための冷却ユニット３２３ａとを備えている。
中性子発生源３１０では、前方に向かって順番に、イオン発射部３１１、荷電粒子加速器３１２、及び中性子発生部３１３が配置されている。他方、中性子発生源３２０では、後方に向かって順番に、イオン発射部３２１、荷電粒子加速器３２２、及び中性子発生部３２３が配置されている。また、中性子の照射対象であるトリウム塊が収容された容器３０４が中性子発生部３１３の前方であって、中性子発生部３２３の後方に設けられている。
なお、イオン発射部３１１及び３２１、荷電粒子加速器３１２及び３２２、中性子発生部３１３及び３２３、並びに冷却ユニット３１３ａ及び３２３ａそれぞれの構成は、実施の形態１で説明したイオン発射部１０１、荷電粒子加速器１０２、及び中性子発生部１０３それぞれの構成と同様であるので、その説明を省略する。また、容器３０４及びその内容物であるトリウム集合体の構成は、実施の形態１で説明した容器１０４及びトリウム集合体の構成と同様であるので、その説明を省略する。
本実施の形態に係る核燃料製造装置３００では、トリウム集合体の周囲に中性子反射材が設けられていないので、中性子発生部３１３から発射された中性子がトリウム集合体の正面側に照射され、中性子発生部３２３から発射された中性子がトリウム集合体の背面側に照射され、トリウム集合体のその他の面（上下面、及び左右側面）には中性子が照射されることがない。このため、製造されるトリウム核燃料では、正面側及び背面側の部分においてウラン２３３が多く分布することとなる。
図１５は、製造されたトリウム核燃料におけるウラン２３３の分布状態を示すグラフである。図において縦軸はウラン２３３の相対的な発生量（ドーピング濃度）を示し、横軸はトリウム核燃料の正面端からの距離を示している。図に示すように、ウラン２３３はトリウム核燃料の正面側と背面側とにおいて高い濃度でドーピングされており、中央へ向かうにしたがって急峻にその濃度が減少している。このように、中性子をトリウム集合体の正面側及び背面側から照射し、トリウム集合体の周囲に中性子反射材及び中性子増倍材を配置しなければ、正面側周辺部と背面側周辺部とに高い濃度でウラン２３３がドーピングされているトリウム核燃料を製造することが可能となる。
（実施の形態４）
図１６は、実施の形態４に係る核燃料製造装置の概略構成を示す模式図である。当該実施の形態に係る核燃料製造装置４００は、２つの中性子発生源４１０及び４２０が、トリウム集合体を収容する容器４０４及び当該容器４０４を保持する保持部４０５を前後から挟むように配置された構成である。即ち、本実施の形態に係る核燃料製造装置４００では、トリウム集合体を中性子反射材からなる保持部４０５によって保持し、当該トリウム集合体に前後両方から中性子を照射するようになっている。
中性子発生源４１０は、荷電粒子を発射するイオン発射部４１１と、イオン発射部４１１から発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器４１２と、荷電粒子加速器４１２によって加速された荷電粒子を受けたときに中性子を発射する中性子発生部４１３と、中性子発生部４１３を冷却するための冷却ユニット４１３ａとを備えている。また、中性子発生源４２０は、荷電粒子を発射するイオン発射部４２１と、イオン発射部４２１から発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器４２２と、荷電粒子加速器４２２によって加速された荷電粒子を受けたときに中性子を発射する中性子発生部４２３と、中性子発生部４２３を冷却するための冷却ユニット４２３ａとを備えている。
中性子発生源４１０では、前方に向かって順番に、イオン発射部４１１、荷電粒子加速器４１２、及び中性子発生部４１３が配置されている。他方、中性子発生源４２０では、後方に向かって順番に、イオン発射部４２１、荷電粒子加速器４２２、及び中性子発生部４２３が配置されている。また、中性子の照射対象であるトリウム塊が収容された容器４０４が保持部４０５によって保持され、当該容器４０４及び保持部４０５が中性子発生部４１３の前方であって、中性子発生部４２３の後方に設けられている。
なお、イオン発射部４１１及び４２１、荷電粒子加速器４１２及び４２２、中性子発生部４１３及び４２３、並びに冷却ユニット４１３ａ及び４２３ａそれぞれの構成は、実施の形態１で説明したイオン発射部１０１、荷電粒子加速器１０２、中性子発生部１０３、及び冷却ユニット１０３ａそれぞれの構成と同様であるので、その説明を省略する。また、容器４０４及びその内容物であるトリウム集合体の構成は、実施の形態１で説明した容器１０４及びトリウム集合体の構成と同様であるので、その説明を省略する。
保持部４０５は、図５、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃに示す保持部１０５から、第３層の中央部分のブロック１０６を取り除いた如き構成とされている。つまり、保持部４０５の第３層は、１辺が３個のブロック１０６からなる正方形を形成するように８個のブロックが並べられて構成されている。つまり、第３層は、正面視において、中央部分が欠落した正方形をなしており、図６Ａに示した保持部１０５の第１層１０５ａと同様の構成とされている。
したがって、保持部４０５は、１辺が３個のブロック１０６からなる立方体形状をなしている。また、保持部４０５の正面中央及び背面中央のそれぞれには、ブロック１個分の開口が設けられており、この開口を通じて容器４０４が露出している。
本実施の形態に係る核燃料製造装置４００では、トリウム集合体の周囲に中性子反射材が設けられているので、中性子発生部４１３から発射された中性子がトリウム集合体の正面側に照射され、中性子発生部４２３から発射された中性子がトリウム集合体の背面側に照射され、トリウム集合体のその他の面（上下面、及び左右側面）からは保持部４０５によって反射された中性子が照射されることとなる。このため、製造されるトリウム核燃料では、全体において概ね均等にウラン２３３が分布する。
図１７は、製造されたトリウム核燃料におけるウラン２３３の分布状態を示すグラフである。図において縦軸はウラン２３３の相対的な発生量（ドーピング濃度）を示し、横軸はトリウム核燃料の正面端からの距離を示している。図に示すように、ウラン２３３はトリウム核燃料の正面側と背面側とにおいて他の部位よりも若干多く発生しており、中央へ向かうにしたがってその発生量が漸減している。但し、トリウム核燃料の正面側端周辺部及び背面側端周辺部におけるウラン２３３の濃度１とすると、中央位置におけるウラン２３３の濃度は０．４程度である。実施の形態３の場合には、正面側端周辺部及び背面側端周辺部におけるウラン２３３の濃度を１とした場合、中央位置におけるウラン２３３濃度が約０．０３であることと比較すると、正面側端及び背面側端及び中央位置におけるウラン２３３のドーピング濃度の差違は非常に小さく、トリウム核燃料全体に亘って概ね均一にウラン２３３がドーピングされているといえる。このように、中性子をトリウム集合体の正面側及び背面側から照射し、トリウム集合体の周囲に中性子反射材を配置すれば、全体に亘って概ね均一にウラン２３３が分布するトリウム核燃料を製造することが可能となる。
（実施の形態５）
図１８は、実施の形態５に係る核燃料製造装置の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る核燃料製造装置は、複数の荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…を具備する荷電粒子加速器５０２を備えている。各荷電粒子加速ユニット５０２ａの構成は、実施の形態１に係る荷電粒子加速器１０２の構成と同様である。即ち、荷電粒子加速ユニット５０２ａは、複数の加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８を具備する線形加速器である。また、各荷電粒子加速ユニット５０２ａは、加速電極管Ｔ１を挟むように、２つのダミー電極管ＤＴ１及びＤＴ２を具備している。
図１９は、実施の形態５に係る荷電粒子加速器の構成を示す模式図である。図１９に示すように、荷電粒子加速器２００は、２つの高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２を備えている。高電圧直流電源Ｐ１の出力電圧は６０ｋＶであり、高電圧直流電源Ｐ２の出力電圧は２０ｋＶである。
各荷電粒子加速ユニット５０２ａは、加速電極管Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が直列的に複数段（２８段）配置された構成である。つまり、複数の荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…のそれぞれには、２８段の加速電極器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８が設けられており、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…のそれぞれに含まれる同じ段の加速電極管によって加速電極管群が構成される。即ち、荷電粒子加速器２００は、２８段の加速電極管群を備えている。
高電圧直流電源Ｐ１の陰極には、スイッチング素子ＳＷＲ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット５０２ａの加速電極管Ｔ１が接続されている。また、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…の加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導電体により接続されている。つまり、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は互いに導通可能に接続されている。さらに高電圧直流電源Ｐ１の陰極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…は導電体により互いに接続されており、同様に、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のそれぞれについても、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が互いに導通可能に接続されている。高電圧直流電源Ｐ１の陽極は接地されている。
上記の構成についてさらに詳しく説明する。図２０は、加速電極管の構成を示す模式図である。互いに平行に配置された加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…、即ち、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は加速電極管保持部材５１４によって保持されている。この加速電極管保持部材５１４は導電体であるステンレス合金により構成されている。このため、加速電極管保持部材５１４により加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…は電気的に接続されることになる。２段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２，Ｔ２，Ｔ２，…、３段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ３，Ｔ３，Ｔ３，…、４段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ４，Ｔ４，Ｔ４，…、…、２８段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ２８，Ｔ２８，Ｔ２８，…のそれぞれの加速電極管についても、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と同様に、同じ段の加速電極管群に含まれる加速電極管同士が加速電極管保持部材５１４によって保持されており、加速電極管保持部材５１４によって電気的に接続されている。
高電圧直流電源Ｐ２の陽極には、スイッチング素子ＳＷＦ１を介して１つの荷電粒子加速ユニット５０２ａの加速電極管Ｔ１が接続されている。また、高電圧直流電源Ｐ２の陽極は、スイッチング素子ＳＷＲ２を介して１つの加速電極管Ｔ２に接続され、スイッチング素子ＳＷＲ３を介して１つの加速電極管Ｔ３に接続され、同様にスイッチング素子ＳＷＲ４，ＳＷＲ５，…，ＳＷＲ２８のそれぞれを介して加速電極管Ｔ４，Ｔ５，…，Ｔ２８のそれぞれに１つずつ接続されている。かかる高電圧直流電源Ｐ２の陰極は接地されている。
各加速電極管Ｔ１は浮遊容量を有している。浮遊容量によるコンデンサＣは、一方の電極が加速電極管Ｔ１に接続されており、他方の電極が接地されているものとして考えることができる。
これにより、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とが接続されて、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位が変化する。ここで、実施の形態１と同様に、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系となっている。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにした後、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は一次遅れで変化し、最終的に−６０ｋＶとなる。
他方、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにすると、高電圧直流電源Ｐ１と１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…との接続は遮断され、高電圧直流電源Ｐ２と加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とが接続されて、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位が変化する。ここでも、実施の形態１と同様に、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ２、及びコンデンサＣを含む回路は一次遅れ系を構成する。このため、スイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオンにした後、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は一次遅れで変化し、最終的に２０ｋＶとなる。
他の加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８についても同様に浮遊容量を持っており、スイッチング素子ＳＷＲｎをオンにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオフにすると、ｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…の電位は一次遅れで−６０ｋＶに漸近する（ｎは２〜２８の整数）。また、スイッチング素子ＳＷＲｎをオフにし、スイッチング素子ＳＷＦｎをオンにすると、ｎ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…の電位は２０ｋＶに漸近する。
図１９に示すように、各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と各ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…との間には等距離のギャップＧＤ１，ＧＤ１，ＧＤ１，…が設けられている。同様に、加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…とダミー電極管ＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…との間にもギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…が設けられている。また、ダミー電極管ＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…と加速電極管Ｔ２との間にもギャップＧ１，Ｇ１，Ｇ１，…が設けられており、隣り合う加速電極管Ｔ２〜Ｔ２８のそれぞれの間にも、ギャップＧ２〜Ｇ２７が設けられている。さらに、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…及びＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…のそれぞれは接地されている。
このように、各加速電極管Ｔ１と各ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２との間にギャップＧＤ１，ＧＤ２が設けられていることにより、加速電極管Ｔ１に電圧が印加されると、ギャップＧＤ１，ＧＤ２には電界が形成される。同様に、隣り合う加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１に電位差が生じると、これらの加速電極管Ｔｎ及びＴｎ＋１の間に設けられたギャップＧｎに電界が形成される。この電界により、ギャップを通過する荷電粒子が加速される。
また、本実施の形態に係る核燃料製造装置は、図１８に示すように、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…へイオンビームを発射するイオン発射部５０１と、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…によって加速されたイオンビームを受け、中性子を発生する中性子発生部５０３と、ＦＰＧＡからなる制御部（図示せず）とを有している。イオン発射部５０１は、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…のダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…へ同時にイオンビームを発射することが可能である。中性子発生部５０３は、複数の中性子発生ユニット５０３ａ，５０３ａ，５０３ａ，…を具備し、各中性子発生ユニット５０３ａ，５０３ａ，５０３ａ，…は、荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…の後方に配置されおり、荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…から発射されたイオンビームを受けて、中性子を発生することが可能である。また、制御部は、イオン発射部５０１、及び各スイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８に接続されており、イオン発射部５０１及びスイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８を駆動することができる。
中性子発生部５０３の後方には、中性子の照射対象であるトリウム集合体を収容する容器が配置される。ここで、容器は中性子反射材又は中性子増倍材によって構成された設置部において取り囲むように設置されていてもよいし、容器のみであってもよい。また、かかる容器の正面は、中性子発生部の前面（中性子照射面。つまり、荷電粒子加速器５０２とは反対側の面。）と同程度の大きさとされており、中性子発生部５０３と対向するように配置される。
次に、本実施の形態に係る核燃料製造装置の動作について説明する。
本実施の形態に係る核燃料製造装置の処理手順は、実施の形態１と同様、図７により示される。まず、制御部は、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフにする。これと共に、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８をオンにし、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８をオフにする（ステップＳ１）。スイッチング素子ＳＷＲ１がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ１がオフとされると、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ１とが接続され、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断される。したがって、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…には、負の電位が印加される。また、ステップＳ１の処理が実行された後、加速電極管Ｔ１に印加される電位の変化が収束するのに十分な時間が経過してから、ステップＳ２の処理が実行される。このため、１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の電位は−６０ｋＶとなる。
また、スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＲ３，ＳＷＲ４，…，ＳＷＲ２８がオンとされ、スイッチング素子ＳＷＦ２，ＳＷＦ３，ＳＷＦ４，…，ＳＷＦ２８がオフとされると、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ２との接続が遮断され、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれと高電圧直流電源Ｐ１とが接続される。したがって、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…の加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８のそれぞれの電位は、−６０ｋＶとされる。
次に制御部は、イオン発射部５０１を制御して、イオンビームを発射させる（ステップＳ２）。イオン発射部５０１は、設定で定められたイオン電流値、直径、及び長さを有するイオンビームを各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…のダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…へ同時に発射する。イオン発射部５０１から発射されたイオンビームは、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ１，ＤＴ１，…を通過し、同時にギャップＧＤ１，ＧＤ１，ＧＤ１，…に進入する。この時点において、ダミー電極管ＤＴ１の電位はアース電位であり、加速電極管Ｔ１の電位は−６０ｋＶであるため、ギャップＧＤ１には、電界が形成されている。この電界の向きは、ダミー電極管ＤＴ１から加速電極管Ｔ１へ向かう方向、即ち前方である。イオンビームに含まれる荷電粒子は正の電荷を有しているため、イオンビームはギャップＧＤ１を通過する間にこの電界によって加速され、加速電極管Ｔ１に進入する。ギャップＧＤ１では全てのイオンビームが等電界で加速を受ける。
次に制御部は、所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ３）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ３においてＮＯ）、再度ステップＳ３の処理を繰り返す。この切替時間は、予め設定された値であり、イオンビームが発射されてから、各イオンビームのリーディングエッジが１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ３において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジが各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の中央部分に位置していることになる。
ステップＳ３において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部はスイッチング素子ＳＷＲ１をオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦ１をオンにする（ステップＳ４）。こうすることで、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断され、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…と高電圧直流電源Ｐ２とが接続される。したがって、１段目の加速電極管群に含まれる各加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…には、正の電位が印加される。
コンデンサＣ、加速電極管Ｔ１、抵抗ＲＦ１、スイッチング素子ＳＷＦ１、抵抗ＲＦ２、及び高電圧直流電源Ｐ２の回路は一次遅れ系であるため、加速電極管Ｔ１の電位（つまり、ギャップＧＤ１における電位差）は、時間の経過に応じて上昇する。
ここで、ダミー電極管ＤＴ２，ＤＴ２，ＤＴ２，…の電位は０であるため、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電位差は、時間の経過に応じて上昇する。
このように、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…に発生した電界は、イオンビームがギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…を通過する期間において単調増加する。ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電位差が正であれば、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電界の向きはイオンビームの進行方向と一致している。このため、ギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…における電界の強さが大きい程、荷電粒子はその進行方向へ強く加速される。したがって、各イオンビームがギャップＧＤ２，ＧＤ２，ＧＤ２，…を通過することにより、各イオンビームは軸方向に凝縮されバンチが形成される。
制御部は、ステップＳ４を実行した後、変数ｑに２を代入し（ステップＳ５）、次に進入する加速電極管Ｔｑに対応する所定の切替時間に到達したか否かを判別し（ステップＳ６）、切替時間に到達していないと判断した場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。加速電極管Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔ２８毎に、対応する切替時間が予め定められている。各切替時間は、イオンビームが発射されてから、イオンビームのリーディングエッジが当該切替時間に対応する加速電極管Ｔｑの中央に到達するまでの時間である。つまり、ステップＳ６において、切替時間に到達したと判断された時点では、各イオンビームのリーディングエッジがｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の中央部分に位置していることになる。
ステップＳ６において、切替時間に到達している場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、制御部はスイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにする（ステップＳ７）。こうすることで、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ２とが接続され、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…と高電圧直流電源Ｐ１との接続が遮断される。したがって、ｑ段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…には、正の電位が印加される。したがって、スイッチング素子ＳＷＲｑをオフにし、同時にスイッチング素子ＳＷＦｑをオンにすると、各加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…に含まれる浮遊容量の影響で加速電極管Ｔｑの電位は＋２０ｋＶに漸近する。
ここで、ｑ段目の加速電極管群に後続するｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…には、高電圧直流電源Ｐ２に接続されておらず、高電圧直流電源Ｐ１に接続されている。このため、ｑ＋１段目の加速電極管群に含まれる加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…の電位は−６０ｋＶである。したがって、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…とＴｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…との間のギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電位差は８０ｋＶであり、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…における電界の向きは加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…から加速電極管Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，Ｔｑ＋１，…へ向かう方向、即ち前方である。これにより、イオンビームはギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過する間にこの電界によって加速されることになる。加速電極管Ｔ１，Ｔ１，Ｔ１，…の場合と異なり、加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…ではスイッチング素子ＳＷＲｑのオン抵抗が小さな値に設定されており、一次遅れの時定数が５ナノ秒未満の非常に小さい値となっている。このため、イオンビームがギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過する時刻では加速電極管Ｔｑ，Ｔｑ，Ｔｑ，…の電位はほぼ２０ｋＶに近い値となっている。従って、ギャップＧｑ，Ｇｑ，Ｇｑ，…を通過することでイオンビームが軸方向に凝縮される効果は殆どないと言ってよい。
制御部は、その時点での変数ｑの値が２８であるか否かを判別する（ステップＳ８）。変数ｑの値が２８でない場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、制御部は変数ｑの値を１だけインクリメントし（ステップ９）、ステップＳ６へ処理を戻す。これにより、荷電粒子加速器２００の動作初期には−６０ｋＶに印加されていた２段目以降の各段の加速電極管群の電位が順次２０ｋＶに切り替えられる。
スイッチング素子ＳＷＲ２，ＳＷＦ２，ＳＷＲ３，ＳＷＦ３，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ２８のオン／オフ制御は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ステップ８において、変数ｑの値が２８である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御部１１２は、処理を終了する。
このようにして加速されたイオンビームは、荷電粒子加速器５０２から中性子発生部５０３へと発射される。中性子発生部５０３では、イオンビームが照射されることにより中性子が放出される。放出された中性子の少なくとも一部は、容器の内部のトリウム集合体に照射される。
また、荷電粒子加速器５０２から中性子発生部５０３へイオンビームが照射されると、中性子発生部５０３が加熱する。このため、核燃料製造装置５００が動作している間は、冷却ユニットが中性子発生部５０３を冷却するようになっている。
トリウム集合体に中性子が照射されると、トリウム２３２の一部が中性子を吸収し、トリウム２３３へ変化する。トリウム２３３はプロトアクチニウム２３３を経て、ウラン２３３へと変化する。このようにしてトリウム集合体の内部において核分裂性物質であるウラン２３３が生成され、ウラン２３３がドープされたトリウムを主原料としたトリウム核燃料が製造される。
本実施の形態に係る核燃料製造装置では、上記のように複数の平行なイオンビームを同時にイオン発射部５０１により発射し、これを各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…によって加速するため、１つの荷電粒子加速ユニットと同様の構成の荷電粒子加速器に比べて、全体として大きなエネルギーを有するイオンビームを出力することが可能となる。このため、中性子発生部５０３から多くの中性子を発生させることができ、ひいては短時間にトリウム集合体に所望量（例えば、２％）のウラン２３３をドープすることができる。
荷電粒子加速ユニット５０２ａ一機当たりにおける加速電圧が６ＭＶ、加速電流が２５ｍＡである場合、荷電粒子加速ユニット５０２ａ一機当たりにおけるイオンビームの出力強度は１５０ｋＷである。この場合において、荷電粒子として重陽子が、中性子発生部１０３における中性子発生物質としてベリリウムが採用されたとき、荷電粒子加速ユニット５０２ａ一機当たりの中性子発生強度は１．７５×１０１４個／秒となる。
荷電粒子加速ユニット５０２ａ一機当たりのイオンビーム出力強度が低すぎると、中性子発生強度が小さく、トリウム集合体にウラン２３３を効率よくドープすることができなくなる。その一方、荷電粒子加速ユニット５０２ａ一機当たりのイオンビーム出力強度が高すぎると、中性子発生強度が高まるものの、中性子発生部５０３が過度に高温となり、冷却ユニットによる冷却では不十分であることが考えられる。このため、イオンビームの出力強度は、荷電粒子加速ユニット一機当たり１０ｋＷ以上２００ｋＷ以下の範囲で設定することが好ましい。
本実施の形態に係る核燃料製造装置は、２つの直流電源Ｐ１，Ｐ２で、全ての荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…を駆動する構成である。また、１つのスイッチング素子ＳＷＲｎをオン／オフ制御することで、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…の加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…と直流電源Ｐ１との接続／非接続を切り替えることができ、１つのスイッチング素子ＳＷＦｎをオン／オフ制御することで、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…の加速電極管Ｔｎ，Ｔｎ，Ｔｎ，…と直流電源Ｐ２との接続／非接続を切り替えることができる（ｎは１〜２８の整数）。このため、各荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ…のそれぞれに対して、直流電源Ｐ１，Ｐ２及びスイッチング素子ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８，ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８を設ける構成に対して、製造コストを抑制することが可能となる。
（実施の形態６）
図２１は、実施の形態６に係るトリウム集合体の保持部の構成を示す斜視図である。実施の形態６に係る核燃料製造装置は、中性子増倍材によって構成された保持部６０５により、トリウム集合体を収容する容器６０４が保持され、この容器６０４及び保持部６０５に対して中性子を照射する。中性子増倍材としては、（ｎ，２ｎ）反応で中性子を増倍させるベリリウム若しくはモリブデン、又は核分裂反応で中性子を増倍させる核分裂性物質を用いることができる。保持部６０５は、立方体をなしており、その内部中央において容器６０４を保持する。容器６０４の構成は、実施の形態１において説明した容器１０４の構成と同様であるので、その説明を省略する。
また、保持部６０５の中性子実効増倍率は、０．９５以下とされる。ここで、中性子実効増倍率が高いほど、増倍される中性子が増え、トリウム２３２からウラン２３３への変換率が高くなる。つまり、中性子実効増倍率が高いほど、単位時間当たりに発生するウラン２３３の量が多くなる。これは、保持部６０５の中性子実効増倍率が高いほど、所定濃度のウラン２３３がドープされたトリウム核燃料を製造する時間が短くなることを意味する。したがって、保持部６０５の中性子実効増倍率は０．９５とすることが好ましい。
なお、本実施の形態においては保持部６０５の中性子実効増倍率を０．９５以下とすることについて述べたが、これに限定されるものではなく、０．９８又は０．９９以下であってもよい。このようにすることで、トリウム核燃料の製造効率を更に向上させることが可能となる。
また、本実施の形態に係る核燃料製造装置のその他の構成は、実施の形態１に係る核燃料製造装置１００のうちの容器１０４及び保持部１０５以外の構成と同様であるので、その説明を省略する。
本実施の形態に係る核燃料製造装置によってトリウム集合体に中性子を照射した場合、例えば、中性子実効増倍率が０．９の中性子増倍材を用いると、中性子増倍材を用いていない場合と比較して中性子束強度が約９倍になるので、同程度のウラン２３３をドープするために必要な照射時間を１／９に短縮することができる。即ち、本実施の形態に係る核燃料製造装置によれば、例えば、トリウム集合体の内部の中性子束が２×１０１３個／ｃｍ２・秒程度の強度となるように中性子線を照射した場合、約７３０時間（約３０日間）中性子線を照射し続けることで、トリウム集合体に２％のウラン２３３をドーピングすることができる。
（実施の形態７）
図２２は、実施の形態７に係るトリウム集合体の容器の構成を示す斜視図である。実施の形態７に係る核燃料製造装置は、トリウム集合体を収容する複数の容器ブロック７０４ａによって構成された容器７０４に対して中性子を照射する。容器ブロック７０４ａは、１辺が８．３ｃｍの立方体であり、ステンレス合金により構成されている。かかる容器ブロック７０４ａが２７個組み合わされて、容器７０４が構成される。即ち、容器７０４は、１辺が３個の容器ブロック７０４ａからなる立方体をなしている。容器ブロック７０４ａには、金属トリウムの塊（１辺３ｃｍ程度の立方体）、又は二酸化トリウムのペレット（直径８．２ｍｍ、高さ１３．５ｍｍ）のような固体のトリウム集合体が収容される。また、各容器ブロック７０４ａは、互いに配置を入れ換えることが可能である。
なお、本実施の形態に係る核燃料製造装置のその他の構成は、実施の形態１に係る核燃料製造装置１００のうちの容器１０４及び保持部１０５以外の構成と同様であるので、その説明を省略する。
本実施の形態に係る核燃料製造装置によれば、トリウム集合体に中性子を一定期間照射し、その後作業者が容器ブロック７０４ａの位置を入れ換えて、再度中性子を照射することが可能である。例えば、２４時間トリウム集合体に中性子を照射する毎に、容器ブロック７０４ａの位置を入れ換え、これを２０日間実施するようにすれば、各容器ブロック７０４ａ毎にウラン２３３の含有率を調節可能である。例えば、特定の容器ブロック７０４ａを、他の容器ブロックに比べて正面側に配置する時間を長くすることにより、特定の容器ブロック７０４ａに収容されたトリウム集合体に対して、他の容器ブロック７０４ａに収容されたトリウム集合体よりも多くのウラン２３３をドープすることができる。このため、例えば１つの容器ブロック７０４ａにおいてウラン２３３の含有率が３％のトリウム核燃料を製造し、他の容器ブロック７０４ａにおいてウラン２３３の含有率が１％のトリウム核燃料を製造する等、きめ細かくウラン２３３の含有率を調節することができる。また、全容器ブロック７０４ａに対して均等に中性子が照射されるように配置を調節することで、全ての容器ブロック７０４ａにおいてウラン２３３の含有率が均一なトリウム核燃料を製造することも可能である。
（実施の形態８）
図２３は、実施の形態８に係るトリウム集合体の保持部の構成を示す断面図である。実施の形態８に係る核燃料製造装置は、中性子反射材によって構成された保持部８０５により、液体のトリウム集合体８１０を収容する容器８０４が保持され、この容器８０４及び保持部８０５に対して中性子を照射する。液体のトリウム集合体として溶融塩を用いる場合には、その温度が６００°程度となるため、アクリル樹脂を中性子反射材として使用すると溶解してしまう。そこで、中性子反射材としては、グラファイト又は炭化ケイ素を用いることができる。保持部８０５は、正面中央部から内部に至る開口が設けられた立方体をなしており、その内部中央において容器８０４を保持する。容器８０４は立方体をなしており、ニッケル合金により構成されている。かかる容器８０４の内部には、液体のトリウム集合体である４フッ化トリウムとフッ化リチウムとの共融塩が収容される。また、液体のトリウム集合体である溶融塩として、フッ化リチウムとフッ化ベリリウムと４フッ化トリウムとの共融塩を用いることもできる。
なお、上述した溶融塩に含有されるフッ化リチウムに代えて、塩化リチウムとフッ化リチウムとの混合塩を用いることも可能である。また、前記塩化リチウムとフッ化リチウムとの混合塩の代わりに、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化アルミニウム、塩化錫等の塩化物もしくはこれらの塩化物から選択された２以上の塩化物が混合された混合塩化物、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化アルミニウム、フッ化錫等のフッ化物もしくはこれらのフッ化物から選択された２以上のフッ化物が混合された混合フッ化物、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化錫等水酸化物もしくはこれらの水酸化物から選択された２以上の水酸化物が混合された混合水酸化物、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸アルミニウム、炭酸錫等の炭酸塩もしくはこれらの炭酸塩から選択された２以上の炭酸塩が混合された混合炭酸塩、又は硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸アルミニウム、硝酸錫等の硝酸塩もしくはこれらの硝酸塩から選択された２以上の硝酸塩の混合物である混合硝酸塩を用いることも可能である。
また、保持部８０５には撹拌ユニット８０６が設けられている。撹拌ユニットは、モータ８０６ａと、回転軸８０６ｂと、撹拌羽根８０６ｃとを有している。保持部８０５の上面から容器８０４の上面までを貫通する孔が設けられており、この孔に回転軸８０６ｂが挿通されている。回転軸８０６ｂの上端はモータ８０６ａに接続されており、回転軸８０６ｂの下端には複数の板状部材が放射状に配置された撹拌羽根８０６ｃが取り付けられている。モータ８０６ａが駆動されると、回転軸８０６ｂを介して撹拌羽根８０６ｃが回転するようになっており、これにより容器８０４内の４フッ化トリウムとフッ化リチウムとの共融塩が撹拌されるようになっている。
なお、本実施の形態に係る核燃料製造装置のその他の構成は、実施の形態１に係る核燃料製造装置１００のうちの容器１０４及び保持部１０５以外の構成と同様であるので、その説明を省略する。
本実施の形態に係る核燃料製造装置によれば、トリウム集合体に中性子を照射し、その照射している間に撹拌装置８０６によってトリウム集合体を撹拌することができる。トリウム集合体の撹拌は、連続して行うこともできるし、間欠的に行うこともできる。このように、中性子照射中のトリウム集合体を撹拌することにより、トリウム集合体全体に均一にウラン２３３をドープすることが可能となる。
（実施の形態９）
図２４は、実施の形態９に係るトリウム集合体の保持部の構成の一部を示す斜視図である。実施の形態９に係る核燃料製造装置は、中性子反射材によって構成された保持部により、トリウム集合体を収容する容器９０４が保持され、この容器９０４及び保持部に対して中性子を照射する。本実施の形態に係る保持部は、実施の形態１において説明した保持部１０５の第２層１０５ｂに代えて、図２４に示す第２層９０５ｂを備えた構成である。つまり、第２層９０５ｂは、７個の立方体のブロックと、１つの円筒形の回転台座９０７とを備えており、これらのブロック及び回転台座９０７が正面視において正方形をなすように配置されている。さらに詳しく説明すると、第２層９０５ｂの上辺、左辺、右辺のそれぞれは、立方体のブロックが３個並べられて構成されており、下辺が２つの立方体のブロックと、これらのブロックの間に挟まれるように配置された回転台座９０７とによって構成されている。また、回転台座９０７の下方にはモータ９０８が配置されており、このモータ９０８の回転軸が回転台座９０７の下面に接続されている。モータ９０８が駆動されることで、回転台座９０７が水平回転するようになっている。
回転台座９０７の上方、即ち、第２層９０５ｂの中央部分は、トリウム集合体を収容する容器９０４を設置するための空間とされている。容器９０４は、上述したブロックよりも小さい立方体形状をなしている。つまり、回転台座９０７の上に設置された容器９０４を回転可能とするために、容器９０４は回転台座９０７の上面の円形からはみ出ない程度の大きさとされている。
本実施の形態に係る保持部の構成は、第２層が上述した構成である他は、実施の形態１で説明した保持部１０５の構成と同様であるので、その説明を省略する。また、本実施の形態に係る核燃料製造装置のその他の構成は、実施の形態１に係る核燃料製造装置１００のうちの容器１０４及び保持部１０５以外の構成と同様であるので、その説明を省略する。
本実施の形態に係る核燃料製造装置によれば、トリウム集合体に中性子を照射し、その照射している間に回転台座９０７を回転させることで、トリウム集合体を回転させることができる。トリウム集合体の回転は、連続して行うこともできるし、間欠的に行うこともできる。例えば、中性子照射中のトリウム集合体を連続して回転させる場合には、トリウム集合体全体に均一にウラン２３３をドープすることが可能となる。また、トリウム集合体の特定の部分にウラン２３３を特定の含有率でドープし、他の部分に前記特定の含有率よりも低い含有率でウラン２３３をドープするような場合には、特定の部分が中性子発生部に向き合う時間を長くし、他の部分が中性子発生部に向き合う時間を短くするように、回転台座９０７を間欠的に回転させればよい。
（その他の実施の形態）
なお、上述した実施の形態においては、荷電粒子加速器によってイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを中性子発生源に照射することにより、中性子を発生させて、この中性子をトリウム集合体に照射する構成について述べたが、これに限定されるものではない。原子炉又は核融合炉を中性子発生源として利用して、発生された中性子をトリウム集合体に照射する構成とすることも可能である。
また、直流電源からの電圧印加をスイッチングによって制御する荷電粒子加速器によりイオンビームを加速する構成について述べたが、これに限定されるものではない。高周波電源によって駆動されるサイクロトロンであってもよい。
また、上述した実施の形態においては、ダミー電極管ＤＴ１，ＤＴ２の間に加速電極管Ｔ１を配置し、ダミー電極管ＤＴ１と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ１では、イオンビームが通過する間において時間的に変化しない電界を形成し、この電界によってイオンビームを加速し、加速電極管Ｔ１とダミー電極管ＤＴ２との間のギャップＧＤ２では、イオンビームが通過する間において時間的に強さが増大する電界を形成し、この電界によってイオンビームを加速する構成としたがこれに限定されるものではない。例えば、前側のダミー電極管ＤＴ２に代えて、高電圧直流電源Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに接続可能な加速電極管を配置してもよい。この場合、加速電極管Ｔ１の前側に配置された加速電極管に初期状態として−６０ｋＶの電位を印加しておく。加速電極管Ｔ１の軸長方向中央をイオンビームのリーディングエッジが通過する時点で、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンからオフに切り替え、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフからオンに切り替えることで、加速電極管Ｔ１の電位が一次遅れで増大する。これにより、加速電極管Ｔ１とその隣の加速電極管との間のギャップにおける電界の強さが一次遅れで変化し、変化している間に当該ギャップをイオンビームが通過することで、イオンビームを軸長方向に短縮することができる。
また、上述した実施の形態においては、加速電極管Ｔ１の浮遊容量であるコンデンサＣにより、一次遅れ回路を形成する構成について述べたが、これに限定されるものではない。加速電極管Ｔ１にコンデンサを接続し、これによって一次遅れ回路を形成する構成としてもよい。
また、上述した実施の形態においては、ギャップにおける電界の強さを一次遅れで増加させる構成について述べたが、これに限定されるものではない。隣り合う電極管の間のギャップにおいて、電界の強さを２次遅れにより変化させる構成としてもよい。例えば、加速電極管Ｔ１に２つのコンデンサを接続し、加速電極管Ｔ１、高電圧直流電源Ｐ１、及び２つのコンデンサを含む回路を二次遅れ系とすることもできる。但し、この場合には、イオンビームがギャップを通過する間に、当該ギャップにおける電界が増加するように構成する必要があり、減衰比が１以下となるようにすることが特に好ましい。
また、上述した実施の形態においては、荷電粒子加速器を線形加速器としたが、これに限定されるものではない。複数の加速電極管を非線形に配置し、隣り合う加速電極管の間に偏向磁石を配置して、当該偏向磁石によって進行中の荷電粒子の進行方向を変化させて、非線形に配置された加速電極管に順次荷電粒子を通過させる構成としてもよい。この場合、少なくとも１つの加速電極管に大きなオン抵抗を有するスイッチング素子を接続し、このスイッチング素子をオン／オフ制御することで、当該加速電極管と、その隣の加速電極管との間のギャップに、時間的に強さが増加する電界を形成する。この電界の強さが増加している途中において、当該ギャップにイオンビームを通過させる構成とすることができる。
また、サイクロトロンの電極（ディー）に印加する電圧を制御することによって、イオンビームの長さを調整するように構成することもできる。例えば、サイクロトロンの電極の一方にオン抵抗の大きなスイッチング素子を接続して一次遅れ系とし、当該スイッチング素子を介して直流電源に電極を接続する。イオン発射部から発射されたイオンビームが１つの電極の内部を通過している間に、スイッチを切り替えることで前記一方の電極に負の電位を印加し、前記他方の電極に正の電位を印加する。ギャップの電界の強さが一次遅れにより増加する間に、イオンビームにギャップを通過させる。
また、上述した実施の形態においては、イオンビームが加速電極管Ｔ１を進行している間に、スイッチング素子ＳＷＲ１をオンからオフに切り替え、スイッチング素子ＳＷＦ１をオフからオンに切り替えることで、加速電極管Ｔ１に正の電位を印加し、接地されているダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ２に時間に応じて強さが増加する電界を形成する構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、次のような構成とすることもできる。ダミー電極管ＤＴ２に一定の負の電位を印加しておき、負の電位が印加されている加速電極管に接続されたスイッチング素子をオフに切り替えることで、加速電極管と直流電源との接続を遮断する。これにより加速電極管の電位が０へ向かって変化し、ダミー電極管ＤＴ２と加速電極管Ｔ１との間のギャップＧＤ２に時間に応じて強さが増加する電界が形成される。
また、上述した実施の形態５においては、複数の荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…を並列に配置し、それぞれの荷電粒子加速ユニット５０２ａ，５０２ａ，５０２ａ，…において別々にイオンビームを加速し、各イオンビームを中性子発生部５０３の広い後面（荷電粒子加速器５０２に向き合う面）へ照射して、中性子照射面から広い範囲で中性子を発生させる構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、実施の形態１のように１つの荷電粒子加速ユニットからなる荷電粒子加速器の前方に電磁石を配置し、この電磁石によって発生する電場の向きを変化させることで、イオンビームを偏向させ、中性子発生部の後面上を走査するようにイオンビームを照射する構成とすることもできる。これにより、１つの荷電粒子加速ユニットにより、広い範囲に中性子を照射することが可能となる。
本発明の核燃料製造装置及び核燃料製造方法は、トリウムを主原料とする核燃料を製造するための核燃料製造装置及び核燃料製造方法として有用である。
１００，２００，３００，４００ 核燃料製造装置
１０１，２０２，３１１，３２１，４１１，４２１ イオン発射部
１０２，２０２，３１２，３２２，４１２，４２２ 荷電粒子加速器
１０３，２０３，３１３，３２３，４１３，４２３ 中性子発生部
１０４，２０４，３０４，４０４ 容器
１０５，２０５，３０５，４０５ 保持部
１１２ 制御部
Ｃ コンデンサ
ＧＤ１，ＧＤ２ ギャップ
ＤＴ１，ＤＴ２ ダミー電極管
Ｐ１，Ｐ２ 高電圧直流電源
ＤＣ１，ＤＣ２，…，ＤＣ２８ 高電圧直流電源
ＲＲ１，ＲＲ２，ＲＦ１，ＲＦ２ 抵抗
ＳＷＲ１，ＳＷＲ２，…，ＳＷＲ２８ スイッチング素子
ＳＷＦ１，ＳＷＦ２，…，ＳＷＦ２８ スイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔ２８ 加速電極管

Claims (16)

  1. トリウムの集合体に対して中性子を発射する中性子発生源を備え、
    前記中性子発生源から発射された中性子を前記集合体に含まれるトリウム２３２に衝突させることにより、前記トリウム２３２をウラン２３３へ変化させる、
    核燃料製造装置。
  2. 前記中性子発生源は、
    荷電粒子を発射する荷電粒子発生源と、
    前記荷電粒子発生源により発射された荷電粒子を加速する荷電粒子加速器と、
    前記荷電粒子加速器により加速された荷電粒子が衝突したときに、中性子を発射する中性子発生部と、
    を具備する、
    請求項１に記載の核燃料製造装置。
  3. 前記荷電粒子加速器は、
    前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された一対の電極と、
    前記一対の電極に直流電圧を印加するための直流電源と、
    前記直流電源と前記一対の電極の一方とを接続させ、又は接続を遮断させることにより、前記空間に電界を形成するためのスイッチと、
    前記荷電粒子発生源から荷電粒子が発射された後に、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記荷電粒子を加速するための電界を前記空間に形成させる制御部と、
    を有する、
    請求項２に記載の核燃料製造装置。
  4. 前記荷電粒子加速器は、前記スイッチに接続され、前記スイッチがオフからオン又はオンからオフに切り替えられたときに、前記空間に形成される電界の強さを時間に応じて増加させる応答遅れ生成部をさらに有し、
    前記制御部は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子が前記空間内を通過する間に、前記空間に形成される電界の強さが時間的に増加するように、前記スイッチをオン／オフ制御するように構成されている、
    請求項３に記載の核燃料製造装置。
  5. 前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子発生源から発射された荷電粒子の進行軌道に沿って互いに空間を隔てて配置された複数の電極管をさらに備え、
    前記直流電源は、前記電極管に印加するための電圧を発生するように構成されており、
    前記一対の電極は、前記複数の電極管のうちの隣り合う一対の電極管である、
    請求項２乃至４の何れかに記載の核燃料製造装置。
  6. 前記荷電粒子加速器は、その荷電粒子出力強度が１０ｋＷ以上２００ｋＷ以下である、
    請求項２乃至５の何れかに記載の核燃料製造装置。
  7. 前記荷電粒子発生源は、互いに異なる複数の進行軌道のそれぞれに複数の荷電粒子を発射するように構成されており、
    前記電極管は、前記複数の進行軌道のそれぞれに沿って、空間を隔てて直列的に並べられており、
    前記複数の進行軌道のそれぞれに対応する複数の電極管からなる電極管群が、前記荷電粒子発生源によって発射される荷電粒子が通過する順番に複数段設けられており、
    前記直流電源と、一の段の電極管群とを接続することにより、前記一の段の電極管群と、前記一の段の電極管群と隣り合う他の段の電極管群との間の空間に荷電粒子を加速するための電界を形成するように構成されている、
    請求項５に記載の核燃料製造装置。
  8. 前記荷電粒子加速器は、進行軌道１つ当たりにおける荷電粒子出力強度が１０ｋＷ以上２００ｋＷ以下である、
    請求項７に記載の核燃料製造装置。
  9. 中性子の照射対象のトリウムの集合体を保持するための保持部を更に備える、
    請求項１乃至８の何れかに記載の核燃料製造装置。
  10. 前記保持部は、中性子を反射する中性子反射材によって構成されており、トリウムの集合体を取り囲むように保持し、前記中性子発生源から中性子が前記トリウムの集合体に照射されるように、前記中性子発生源と対向する部分に開口を有する、
    請求項９に記載の核燃料製造装置。
  11. 前記保持部は、中性子を増倍する中性子増倍材によって構成されており、トリウムの集合体を取り囲むように保持可能に構成されている、
    請求項９に記載の核燃料製造装置。
  12. 前記保持部は、その中性子実効増倍率が０．９５以下である、
    請求項１１に記載の核燃料製造装置。
  13. 前記保持部は、液体のトリウムの集合体を収容する容器を保持するように構成されており、前記集合体を撹拌するための撹拌部を具備する、
    請求項９乃至１２の何れかに記載の核燃料製造装置。
  14. 互いに配置を交換可能に構成された複数のブロックからなるトリウムの集合体に対して、前記中性子発生源から中性子を照射するように構成されている、
    請求項１乃至１３の何れかに記載の核燃料製造装置。
  15. トリウムの集合体に対して中性子発生源から中性子を発射し、前記中性子発生源から発射された中性子を前記集合体に含まれるトリウム２３２に衝突させることにより、前記トリウム２３２をウラン２３３へ変化させる、
    核燃料製造方法。
  16. 前記中性子発生源は、荷電粒子発生源と、荷電粒子加速器と、中性子発生部とを備え、
    荷電粒子発生源から荷電粒子を発射するステップと、
    前記荷電粒子発生源により発射された荷電粒子を荷電粒子加速器により加速するステップと、
    前記荷電粒子加速器により加速された荷電粒子を中性子発生部に衝突させることにより、前記中性子発生部から中性子を発射するステップと、
    前記中性子発生部から発射された中性子をトリウムの集合体に衝突させるステップと、
    を有する、
    請求項１５に記載の核燃料製造方法。
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