JP2014102082A

JP2014102082A - 中性子線遮蔽構造体

Info

Publication number: JP2014102082A
Application number: JP2012252119A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yoshimatsu; 賢二吉松; Toshio Maekawa; 利雄前川
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】加速器が設置される部屋とビームダンプ装置が設置された部屋との間の壁に好適に用いられる、ビームダンプ装置で発生した中性子線の加速器の設置される部屋への漏れ出しを効果的に低減できる中性子線遮蔽構造体を提供する。
【解決手段】放射線源である加速器装置１から放射される荷電粒子をダンプターゲット２ａに衝突させて減衰させるビームダンプ装置２が設置される部屋５と加速器装置１が設置される部屋６との間に、ビームダンプ装置２側に位置するコンクリート部１１と、加速器装置１側に位置するボロン含有シート１２とを備えた中性子線遮蔽構造体１０から成る壁を設けるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線源が設置される部屋と放射線源から放射される荷電粒子を衝突させて減衰させるビームダンプ装置が設置される部屋との間に設けられる中性子線遮蔽構造体に関するものである。

従来、陽子や電子などの荷電粒子を加速する加速器を備えた施設においては、不要となった荷電粒子をカーボンなどのターゲット（ダンプターゲット）に衝突させて消滅させるためのビームダンプ装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
ビームダンプ装置は、通常、放射線源である加速器が設置される部屋に隣接する部屋か、もしくは、加速器が設置される部屋をコンクリート製の壁により仕切られた部屋に設置される。加速器で加速され不要となった荷電粒子は、粒子導入管によりビームダンプ装置が設置された部屋に導入され、粒子導入管の端部からダンプターゲットに照射される。

特開２００７−２４２４６８号公報

ところで、ビームダンプ装置自体は放射線源ではないが、加速された荷電粒子とダンプターゲットとの衝突により発生した中性子が、加速器が設置される部屋とビームダンプ装置が設置された部屋との間の壁（仕切り壁）を透過して加速器の設置されている部屋に漏れ出てしまうといった問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、加速器が設置される部屋とビームダンプ装置が設置された部屋との間の壁に好適に用いられる、加速器の設置される部屋への中性子線の漏れ出しを効果的に低減できる中性子線遮蔽構造体を提供することを目的とする。

本願発明は、放射線源から放射される荷電粒子を衝突させて減衰させるビームダンプ装置が設置される部屋と前記放射線源が設置される部屋との間に設けられる中性子線遮蔽構造体であって、前記ビームダンプ装置側に位置するコンクリート部と、前記放射線源側に位置するボロン含有シートと、を備えたことを特徴とする。
これにより、ビームダンプ装置で発生した中性子線の加速器の設置される部屋への漏れ出しを効果的に低減できる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本実施の形態に係る中性子線遮蔽構造体の構成を示す図である。ボロン含有シートによる低エネルギー中性子線の減衰効果を示す図である。中性子線遮蔽構造体による中性子線の遮蔽効果を示す図である。中性子線遮蔽構造体における放射化抑制効果を示す図である。コンクリート部の厚さが薄い場合の中性子線の遮蔽効果を示す図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１を参照し、中性子線遮蔽構造体１０の構成を説明する。
同図において、１は放射線源である加速器装置、２はビームダンプ装置である。加速器装置１とビームダンプ装置２とは遮蔽壁３により取り囲まれており、加速器装置１とビームダンプ装置２との間には、中性子線遮蔽構造体１０が設けられている。
加速器装置１は、荷電粒子を発生させる発生部１ａと、荷電粒子を加速する加速器本体１ｂと、加速された荷電粒子の特性を計測する計測部１ｃとを備える。
ビームダンプ装置２は、計測部１ｃから粒子導入管４により誘導された荷電粒子を衝突させて消滅させるダンプターゲット２ａと、ダンプターゲット２ａを取り囲むように設けられてダンプターゲット２ａを冷却する複数の冷却板（図示せず）を備えた冷却部２ｂとを備える。

遮蔽壁３は、普通コンクリートと図外の鉄筋とによる鉄筋コンクリート構造、あるいは、普通コンクリートのみによる無筋コンクリート構造により形成されて、加速器装置１及びビームダンプ装置２から漏れ出す中性子線などの放射線を遮蔽する。
普通コンクリートは、川砂，海砂，山砂，砕石，砕砂などから得られる骨材と、セメントと、水とを混練して形成される。
中性子線遮蔽構造体１０は、ビームダンプ装置２側に位置するコンクリート部１１と、加速器装置１側に位置するボロン含有シート１２とを備え、加速器装置１が設置される加速器室６とビームダンプ装置２が設置されるビームダンプ室５とを仕切る仕切り壁として機能する。

コンクリート部１１は、遮蔽壁３と同様に、鉄筋コンクリート構造、あるいは、普通コンクリートのみによる無筋コンクリート構造により形成されて、ビームダンプ装置２で発生し加速器室６側に透過する中性子線の速度を減速させるとともに、低エネルギー中性子線がボロン含有シート１２に吸収されやすくするための減速層として機能する。
ボロン含有シート１２は、ボロンを含有した合成樹脂、例えば、ボロン化合物Ｂ₄Ｃを含有した合成樹脂により形成された、遮水性、可撓性を有するシートで、ビームダンプ装置２で発生した中性子線のうち、低エネルギー中性子線を吸収する吸収層として機能する。
低エネルギー中性子は、コバルト等により吸収されて放射化物を生成するので、低エネルギー中性子をボロン含有シート１２で吸収して低減させることは放射化物を低減することになる。ボロンは低エネルギー中性子に対する吸収反応断面積が大きいので、本例のように、ボロン含有シート１２をコンクリート部１１の加速器装置１側に配置すれば、低エネルギー中性子の漏れ出しを効果的に低減できる。
ボロン含有シート１２は、例えば、メタクリル酸メチル樹脂（ＭＭＡ樹脂）などの樹脂中にＢ₄Ｃを添加することで形成できる。例えば、ＭＭＡ樹脂とＢ₄Ｃとの配合比を１：０．７５としたＢ₄Ｃ混入樹脂を深さ３〜８ｍｍ程度の容器内に流し込んで硬化させることによって３〜８ｍｍ程度の厚さ寸法に形成されたボロン含有シート１２を用いればよい。

図２（ａ），（ｂ）は、ボロン含有シートによる低エネルギー中性子束（Low energy neutron flux）の減衰効果を模式的に示した図で、（ａ）図はコンクリートのみから成る遮蔽体における減衰効果を示す図、（ｂ）図は遮蔽体が本願発明のボロン含有シートを備えた中性子線遮蔽構造体１０における減衰効果を示す図である。低エネルギー中性子線の強度が減衰する様子を図の太い実線で示す。
（ａ）図と（ｂ）図とを比較して分かるように、ボロン含有シート１２では、コンクリート部１１に比較して低エネルギー中性子線の減衰量が極めて大きいことがわかる。したがって、コンクリート部１１のコンクリートの厚さを厚くするよりは、ボロン含有シート１２を設ける方が低エネルギー中性子線を効率よく減衰させることができる。
このとき、ボロン含有シート１２を中性子線の入射側にではなく、出射側に配置することが肝要である。これにより、ボロン含有シート１２には、コンクリート部で減速された中性子線が入射するので、中性子線を効果的に吸収することができる。
コンクリート部１１とボロン含有シート１２の厚さ寸法は、吸収対象とする中性子線のエネルギーの高低に応じて決めればよい。例えば、１４ＭｅＶ程度の高エネルギーの中性子線を吸収対象とする場合は、コンクリート部１１の厚さ寸法を５０ｃｍ程度とし、ボロン含有シート１２の厚さ寸法を４ｍｍ程度とすればよい。

加速器装置１の計測部１ｃで計測されて不要となった高速の荷電粒子は、粒子導入管４及び図示しない電磁石によりビームダンプ装置２が設置された部屋に導入されて、ビームダンプ装置２に設けられたダンプターゲット２ａに衝突する。高速の荷電粒子がダンプターゲット２ａに衝突すると、ダンプターゲット２ａに熱が発生するとともにダンプターゲット２ａからは中性子線などの放射線が発生する。そのため、ダンプターゲット２ａは、衝突した荷電粒子がダンプターゲット２ａの外部に漏れないように設計されている。しかしながら、前記の衝突に伴って発生した低エネルギー中性子線は、主に、荷電粒子の入射方向である仕切り壁（中性子線遮蔽構造体１０）方向に散乱される。
本発明の中性子線遮蔽構造体１０は、ビームダンプ装置２側に位置するコンクリート部１１と、加速器装置１側に位置するボロン含有シート１２とから構成されているので、中性子線遮蔽構造体１０に向かった中性子線は、まず、コンクリート部１１により減速され、この減速された中性子線がボロン含有シート１２に入射して吸収される。したがって、ボロン含有シート１２により低エネルギー中性子線を効率よく吸収できるので、加速器室６に漏れ出す低エネルギー中性子線の量を大幅に低減することができる。

なお、前記実施の形態では、コンクリート部１１を普通コンクリートにより形成したが、普通コンクリートに代えて、低放射化コンクリートを用いてもよい。
低放射化コンクリートは、骨材として放射化しにくい高純度の骨材（例えば、Ｎａ、Ｃｏ、Ｅｕなどの不純物の少ない石灰石など）を用いて形成されたコンクリートで、これにより、コンクリート部１１の放射化を低減できる。
＜数値計算例＞

図３（ａ）に示すように、厚さ寸法が５０ｃｍの普通コンクリートから成るコンクリート部１１と、コンクリート部の一方側の表面に設けた厚さ寸法が４ｍｍのボロン含有シート１２を備えた中性子線遮蔽構造体１０のボロン含有シート側とは反対側から、１４ＭｅＶ程度の高エネルギーの中性子線を照射し、コンクリート部１１の内部及びボロン含有シート１２の内側及び外側の低エネルギー中性子束を計算した結果を図３（ｂ）のグラフに示す。
また、参考のため、ボロン含有シート１２のない場合の計算結果についても併せて記した。図３（ｂ）の横軸は中性子線の入射側であるコンクリート部１１の表面から測定点までの距離で、縦軸はエネルギーが１ｅＶ以下である低エネルギー中性子束であり、コンクリート表面での値を１ｃｍ^-2ｓ^-1として規格化している。同図の実線が本発明によるボロン含有シート１２を備えた中性子線遮蔽構造体１０の計算結果で、一点鎖線がボロン含有シート１２のない場合の計算結果である。
同図から明らかなように、コンクリート部１１の内部では、入射した高エネルギーの中性子線がコンクリート（主として、コンクリート内の水分子）により減速することから、コンクリート表面から深さ２０ｃｍ位までの低エネルギー中性子束は、コンクリート表面での値に比べて高くなるが、コンクリート部１１の中性子線の入射側とは反対側にボロン含有シート１２を設けることで、低エネルギー中性子線はボロン含有シート１２に吸収されて、中性子線遮蔽構造体１０の外側には殆ど漏れ出さないことが分かる。
具体的には、４ｍｍの厚さのボロン含有シート１２により、低エネルギー中性子線の漏れ出しを約１/３００にすることができる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、コンクリート内の物質が中性子線の照射により放射化する割合である反応率（Reaction Rate）を示す図である。（ａ）図は²³Ｎａが放射化して²⁴Ｎａになる割合、（ｂ）図は⁵⁹Ｃｏが⁶⁰Ｃｏになる割合、（ｃ）図は¹⁵¹Ｅｕが¹⁵²Ｅｕになる割合で、いずれも、コンクリート表面での値を１として規格化している。
低エネルギー中性子線はボロン含有シート１２により吸収されるので、同図に示すように、ボロン含有シート１２のない場合に比較して、中性子線遮蔽構造体１０の外側の反応率は、²⁴Ｎａでは１/８０、⁶⁰Ｃｏでは１/２０、¹⁵²Ｅｕでは１/１８０に低下することがわかる。
これにより、中性子線の入射側にコンクリートを配置し、入射側とは反対側にボロン含有シートを配置すれば、低エネルギー中性子線の遮蔽効果を向上させることができることが確認された。

また、図５は、コンクリート部１１の厚さ寸法を２０ｃｍとした時の計算結果である。
コンクリート部１１の厚さが薄くなると、コンクリートによる中性子線の減速が減少するので、コンクリート部１１の厚さ寸法を５０ｃｍとした時に比較して低エネルギー中性子線の漏れ出しは約２倍になるが、ボロン含有シート１２を設けない場合に比較すれば、低エネルギー中性子線の漏れ出しは約１/１５０なので、ボロン含有シート１２を設置することは効果的である。
なお、図は省略するが、コンクリート部１１の厚さ寸法を２０ｃｍとした場合には、中性子線遮蔽構造体１０の外側の放射化率は、ボロン含有シート１２のない場合に比較して、²⁴Ｎａでは１/２５、⁶⁰Ｃｏでは１/７、¹⁵²Ｅｕでは１/６０に低下することがわかった。
これにより、コンクリートの中性子線の入射側とは反対側にボロン含有シート１２を設ければ、低エネルギー中性子線の漏れ出しや物質の放射化を効果的に低減できることが確認された。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

本発明によれば、ビームダンプ装置で発生した中性子線の加速器の設置される部屋への漏れ出しを効果的に低減できるので、加速器室の環境を良好に保つことができる。

１加速器装置、１ａ発生部、１ｂ加速器本体、１ｃ計測部、
２ビームダンプ装置、２ａダンプターゲット、２ｂ冷却部、３遮蔽壁、
４粒子導入管、５ビームダンプ室、６加速器室、
１０中性子線遮蔽構造体、１１コンクリート部、１２ボロン含有シート。

Claims

放射線源から放射される荷電粒子を衝突させて減衰させるビームダンプ装置が設置される部屋と前記放射線源が設置される部屋との間に設けられる中性子線遮蔽構造体であって、
前記ビームダンプ装置側に位置するコンクリート部と、
前記放射線源側に位置するボロン含有シートと、を備えたことを特徴とする中性子線遮蔽構造体。