JP4993835B2 - 中性子発生のための破砕装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は中性子を発生させるための破砕装置に関する。本装置は、強度の中性子源が必要な全ての分野で適用することができる。本発明は特に基礎物理学、医学および材料転換学の分野に適用可能である。
【０００２】
従来技術
破砕は、特に、加速器から２００ＭｅＶ以上の高エネルギーで出射される、中性子等の粒子とターゲットの原子核との相互作用に関する。
この相互作用によって、例えばターゲットが液体鉛であれば、１ＧｅＶの陽子の入射によって約３０個の中性子が発生する。この中性子の約８０％は蒸発に起因するもので、残りは原子核間のカスケイドに起因するものである。これらの中性子は、約３．５ＭｅＶにスペクトルのピークを有している。
【０００３】
破砕ターゲットは固体でも液体でも良い。ターゲットはまた厚くても薄くても良い。
液状の破砕ターゲットはそれ自体が冷却流体を構成する。液体ターゲットは通常例えば液体鉛、鉛、ビスマスおよび水銀の共溶金属から選択された液体状の重金属からなる。
【０００４】
この液体ターゲットは、ターゲットと相互作用を行う粒子が通過する真空チャンバと液体ターゲットを分離している最後のインターフェース、あるいは、該真空チャンバとターゲットの間に介在する他の緩衝領域と液体ターゲットを分離している最後のインターフェースを冷却する。
【０００５】
図１は、液体重金属からなる破砕ターゲット２を備えた既知の破砕装置を概念的に示す照射軸方向に沿った断面図である。この装置は、さらに、破砕ターゲットが流れるチャンバ４を備えている。参照番号６は破砕領域を示す。
【０００６】
低温の冷却流体（ターゲット）の導入部８がこのチャンバ４の一端に見えており、チャンバの反対の端部には高温の冷却流体排出部１０が図示されている。
【０００７】
さらに真空チャンバ１２が見え、当該チャンバ内を通過した粒子ビーム１４が破砕領域６でターゲットと相互作用を行う。この真空チャンバは循環水によって冷却される隔壁である第１の窓１６によってチャンバ４と隔てられている。
【０００８】
さらに、チャンバ４の内部方向に凸状の第２の窓１８が図示されている。当該第２の窓１８は第１の窓１６からチャンバの内部に向かって形成されており、第１の窓１６と共にやはり真空な緩衝領域２０または中間領域の気密性を維持する。
第２の窓１８は破砕ターゲット２によって冷却される膜である。
【０００９】
凸状の第２の窓の形状は導入パイプ８を通って導入される流体を破砕領域６に導びき、効果的に冷却されない滞留領域ｎが最小になるように定められている。
【００１０】
さらに、チャンバ４内の第２の窓１８と破砕領域６との間に、液状のターゲットの流れをガイドするように設けられたグリッド２２が図示されている。
図から明らかなように、破砕ターゲットと第２の窓１８は、粒子ビーム１４の照射方向であるＸ軸を回転の中心軸とする回転体形状である。
図示した例の場合には、破砕領域６内の液体ターゲットと相互作用を行う前に、第１と第２の窓およびグリッド２２とを順次通過するビームと、破砕領域内における液体ターゲットの流れの方向は同じである。
【００１１】
次に、固体破砕ターゲットを使用する既知の破砕装置について説明する。
この種の装置は、固体ターゲットを粒子ビーム加速手段と同軸方向に封じ込める窓と、破砕ターゲットを冷却する冷却液体を有する。ターゲットそのものは破砕によって中性子を供給するためのものであり、例えば板状、コーン状、棒状、環状または微小な球体状である。これらの構成要素の特性は、熱的、流体的、機械的および核的特性によって決定される。
【００１２】
熱中性子を供給するターゲットが固体ターゲットの場合には、冷却流体として水を使用することができる。しかし、高速中性子のスペクトルを有する粒子ビームを使用する破砕チャンバでは、水による冷却は事実上不可能である。
【００１３】
図２は、既知の破砕チャンバで使用される粒子ビームの粒子束密度Ｄ１をビームの軸からの距離Ｒの関数として示したものである。粒子束密度が長方形（曲線Ｉ）または釣鐘状（曲線ＩＩ）に分布するビームは、粒子束密度の勾配が大きいために、ビームが照射する真空部と破砕ターゲットとを分離している気密隔壁、および、ターゲットが固体である場合にはターゲット自体に大きな熱力学的応力を発生させる。
【００１４】
図示した粒子ビームは、冷却流体の流量が非常に小さい領域、ターゲットの中心軸にピークを有している（冷却流体の流速Ｖの分布とＲの関係を示した図２の曲線ＩＩＩ参照）。従って、気密隔壁には、破砕ターゲットの性能を制限し密封性を損なう可能性があるホットポイントが存在する。
【００１５】
図１に示す装置のような破砕装置の場合は、粒子ビームの中心線上に冷却流体の流量が非常に小さくなる領域が存在するので、ビームが直接照射される位置にグリッド２２を設けて流れを制御し、冷却流体の流速が遅すぎる領域の長さを短くすることが必要になる。
【００１６】
粒子ビームの中心線に沿って配置される全てのエレメントと同様に、グリッドもビームによる照射の影響を受け時間と共に機械的性能と熱的性能が劣化する。しかし、グリッドは破砕に寄与するわけではなく、損傷を受けると、特に冷却流体の回路を部分的または完全に閉塞して破砕ターゲットに損傷を与えたり場合によっては破壊することも可能なだけの体積を有している。
【００１７】
一般に鋼製である膜１６を流量の大きい水流によって冷却することで、粒子ビームによる加熱に対抗することができる。
【００１８】
ターゲットに高密度ビームを照射する場合、窓１８のすぐ後ろに重い材料が存在するとビームのエネルギの一部を吸収する。液体ターゲットの場合も同様にこの問題が起きる。
窓１８は一方の表面しか冷却することができないので、この窓は（あるいはそれ以外の窓も）液体ターゲットによって冷却することが必要である。
【００１９】
粒子ビームの粒子束密度が、冷却流体であるターゲットの流速が最小になる位置で最大であれば、ホットポイントが発生する。
【００２０】
文献［１］と［２］に記載された破砕装置は、本明細書の末尾に記載した文献に記載された破砕装置と同様、既知である。
【００２１】
本発明の説明
本発明の目的は従来の破砕装置が有する上述の欠点を解消することであり、具体的には装置の主要な構成要素、特に破砕ターゲットとターゲットに到達する前に粒子ビームが通過真空チャンバとを分離する気密隔壁に発生する熱力学的な応力を最小限にとどめることである。
【００２２】
より正確には、本発明の対象は、中性子の発生のための破砕装置であって、
−粒子ビームとの相互作用によって中性子を発生させるための破砕ターゲットと、
−前記破砕ターゲットを収容した第１のチャンバと、
−粒子ビームを発生させる手段と、
−前記粒子ビームがその内部を照射軸に沿って破砕ターゲットに向けて伝播する（１０^−８Ｐａより低い低圧を実現することができる）第２のチャンバと、
−粒子ビームを通過させ、前記第１のチャンバと第２のチャンバを分離し、前記粒子ビームの照射軸を横切る気密隔壁と、
−前記第１のチャンバ内を流れて破砕ターゲットを冷却する冷却流体とを有し、
粒子ビームは照射軸を取り巻く中空状に分布する装置である。
【００２３】
前記粒子は陽子、重水素の原子核、三重水素の原子核、ヘリウム３の原子核、ヘリウム４の原子核であるのが好ましい。
【００２４】
本発明に基づく装置の好ましい実施形態によれば、粒子ビーム内の粒子束密度の半径方向分布を照射軸を含む片側平面についてみると、ビームの中心軸とは別の位置に中心を有するほぼガウシアン分布である。この形状は、照射軸上では粒子の密度が最小になっている点が特徴である。
【００２５】
ビームの粒子束密度をこのように分布させることによって力学的な応力集中を最小化することができる。
【００２６】
本発明に基づく装置の第１の実施形態によれば、ビーム発生手段は中空状の粒子ビームを直接発生させる、つまり、ビーム発生手段自体が中空状の粒子ビームを発生させる。
【００２７】
本発明の第２の実施形態によれば、ビーム発生手段は、中実な粒子ビームから中空状の粒子ビームを発生させる。
【００２８】
本発明では、破砕ターゲットは固体でも良い。
この場合、本発明の好ましい実施形態によれば、破砕ターゲットは連続して配置された複数のターゲットエレメントを有し、各ターゲットエレメントは中央に孔を有する円錐状の板である。
このようなターゲットエレメントは中空ビームと冷却流体の流れに適合した形状である。
【００２９】
破砕ターゲットが固体の場合は、気密隔壁と破砕ターゲットとの間に冷却流体の流路のための空隙が設けられているのが好ましい。
【００３０】
本発明においてはまた、液体状の破砕ターゲットを使用し、液体状の破砕ターゲットで冷却流体を兼ねることもできる。
この場合、本発明の第１の実施形態によれば、破砕ターゲットは第１のチャンバ内部を照射軸に沿って粒子ビームの照射方向に移動する。
【００３１】
本発明の第２の実施形態によれば、液体状の破砕ターゲットを使用した場合、破砕ターゲットは、第１のチャンバ内を照射軸に沿って粒子ビームの照射とは反対方向に移動する。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態によれば、破砕ターゲットの中心軸は粒子の照射軸と同軸である。
【００３３】
気密隔壁は、第１のチャンバの方に凸な凸状であるのが好ましい。
本発明では、気密隔壁が回転体状であって中心軸が照射軸と一致しているのが好ましい。
【００３４】
本発明の対象である装置は、第１のチャンバ内に、少なくとも気密隔壁の方向に冷却流体を導く手段を有しているのが好ましい。
【００３５】
添付の図面を参照して行う実施形態に関する以下の記載は、説明のためであってこれらに限定するためのものではないが、当該記載によって本発明は一層明瞭に理解されるはずである。
【００３６】
実施形態の詳細な説明
本発明の、以下に記載の実施例では、半径方向の粒子束密度がほぼガウシアン分布に従う、中空ビームあるいは「環状ビーム」とも呼ばれるビームを使用する。中空ビームの粒子束密度Ｄ２と中空ビームの中心軸からの距離Ｒとの関係を概念的に図３に示した。
【００３７】
この中空ビームは下記の２つの問題を解決することができる。
−粒子密度分布の勾配を制限して破砕装置の主要な構成要素、特に、気密隔壁と破砕ターゲットが固体である場合には当該破砕ターゲット、に過大な機械的内部応力を発生させないようにし、
−出力のピークを、ターゲットの回転軸から遠ざけて冷却の問題を回避する。
【００３８】
気密隔壁の入力側に光磁気手段を使用することで、環状の粒子束密度分布を有するビームを得ることができる。
【００３９】
図４は、中空ビームを発生させる様子を概念的に示すものである。図４には、中実分布を有する粒子ビーム２６を発生させ、そのビームを加速するための図示しない粒子加速器を設けた真空チャンバ２４が図示されている。（図示しない真空装置を具備する）この真空チャンバ２６は、屈曲しており、屈曲部には曲率マグネット２８が設けられている。曲率マグネットの次に、中実粒子ビーム２６から照射軸がＸで表わされる中空分布を有する粒子ビーム３２を発生させる高周波数ロータリースキャン磁気システム３０が設けられている。
【００４０】
真空チャンバ２４の末端には凸状の気密隔壁３８が設けられている。
当該気密隔壁は、（隔壁３８と共に図４では３４で示した領域を画定する）緩衝隔壁３６の出力側、破砕ターゲットを収容したチャンバ４０の内部に位置する。
【００４１】
各隔壁３６と３８の厚さと材料は、ビーム３２が隔壁を通過することができるように選択される。
【００４２】
図５は、屈曲部２８の磁石の出口部分における中実ビーム２６の粒子束密度Ｄ３を、ビームの中心軸からの距離Ｒの関数として示したものである。ビームの粒子束密度分布はほぼガウシアンであることが分かる。
【００４３】
スキャンシステム３０の後方、特に破砕ターゲット内では、図３に粒子束密度分布を示したように、粒子ビームは中空である。
【００４４】
気密隔壁３８の入力側に設けられた磁気システム３０は、破砕ターゲットによって後方散乱（backscatter）される高エネルギー粒子の軌道に設けられる。このために、当該システムには、照射と放射化の影響を受けにくい材料を用いるのが好ましい。曲率磁石２８は、高エネルギーで後方散乱される粒子から粒子加速器を防護する。
【００４５】
本発明は、屈曲部を有しないような上記と異なる構成で実現することができることに留意されたい。この場合、スキャン用磁気システム３０の入力側に実質的に直線状の真空チャンバを設ける。
システム３０によって行われるスキャンニングは、文献［３］に記載された条件を満足するのが望ましい。
【００４６】
加速された中実ビームから中空ビームを形成する以外に、粒子発生源から中空ビームを形成して、その中空ビームを加速することもできる。この点については、文献［４］を参照されたい。
【００４７】
隔壁３８を頻繁に交換する必要が無いように、気密隔壁３８上の冷却流体の流れをガイドするために、チャンバ４０内に例えばリブのような規制手段を設けることもできる。
【００４８】
さらに本発明の装置では、ターゲットが固体であれ液体であれ、破砕ターゲットは、冷却流体の強制対流によって冷却するのが好ましい。
また、本発明の装置では、中空粒子ビームはどのような角度で破砕ターゲットに到達しても良く、上方から、下方から、斜めから、あるいは水平方向から入射させることができる。
【００４９】
図６は、本発明に基づく破砕装置を構成する複数のシステムを概念的に図示したものである。
当該装置は、
−図４に示した曲率磁石２８とスキャンシステム３０を備え、中空粒子ビームを発生させるシステム４２と、
−中空ビームの照射を受ける、本発明に基づく破砕装置４４と、
−冷却流体の循環システム４６と、
−装置４４から到来する高温の冷却流体５０を受け取って、システム４６を解して低温の冷却流体を装置４４に戻す熱交換システム４８と、
−照射装置または原子燃料、および/または、転換する同位体元素を備え、破砕装置が発生させた中性子５６を受けるカバーシステム５４と、
−冷却流体回路のシステム４６と接続されて、回路の浄化と放射性廃液の処理を行うシステム５８と、
−回路の排液システム６０を具備する。
【００５０】
前記排液システム６０は、装置のスタートアップ、停止およびメンテナンス、あるいは、事故や障害発生時に有効である。
システム５８によって、装置から放射性を帯びた重い元素や放射性を帯びたガス、特に、三重水素のような望ましくない汚染源物質を取り除くことができる。
【００５１】
本発明の装置では、加速される粒子は、陽子、重水素の原子核、三重水素の原子核、ヘリウム３の原子核、ヘリウム４の原子核のような質量の小さい（荷電）粒子であることが望ましい。
【００５２】
例えば、破砕の核的な効率と気密隔壁やターゲット以外の構造に与える損傷、空間電荷現象によって喪失した粒子による加速器の放射化、生態遮蔽や地球に対する遮蔽を含む破砕装置の放射化の特質を考慮してエネルギーＥｐが約６００ＭｅＶの陽子を使用する。
【００５３】
装置の構成によっては、前記のエネルギーＥｐを２００ＭｅＶから数ＧｅＶの範囲にすることができる。
【００５４】
加速器が発生させるビームの強度は、破砕装置を使用する者が必要とする破砕中性子に基づいて決定されるが、例えば０.５ｍＡから数百ｍＡである。
【００５５】
本発明の装置は入射する粒子ビームの中心軸を回転中心とする回転体形状を有するので、装置の中心軸と同じ位置に中心軸を有する中空ビームを使用することによって、冷却流体と粒子ビームの分布形状を（図６Ａにおいて流体の速度Ｖを表わす曲線Ｉとビームの粒子密度Ｄを表わす曲線ＩＩとが示すように）互いに異なる形状にすることができる。
【００５６】
さらに、本発明の装置においては、固体破砕ターゲットを使用する場合には、気密隔壁の冷却流体とターゲットの冷却流体とを分離して、冷却流体の流れを制御する自由度を向上させることができる。
【００５７】
本発明の場合には、固体破砕ターゲットとしては、図７に概念的に図示したような円錐状板を使用するのが好ましい。
それぞれの板６２の中央には、当該板で発生した熱を冷却流体が除去することができるように孔６５が設けられている。
【００５８】
上記の板６２を順次重ねて破砕ターゲット６３を構成し、図８と９に示すように、当該板の集合６３が中空粒子ビーム６４の中心軸を回転中心とする回転体形状になるようにする。
【００５９】
板６２を順次設置し、板の照射を受けた部分から入射中性子（source neutrons）が利用されている領域と図９の壁面７４（後方拡散された中性子）を見た際の立体角が、板の照射を受けていない部分で占められ、その逆も成立するようにする。
【００６０】
上記の構成により入射するスペクトルは問題の領域に到達する前に弱められ、エネルギーが最も高い中性子によって生じる損傷は構造材料に限定される。
【００６１】
さらに、後方散乱される中性子の量は最小であり、結果的に隔壁７４（図９）の耐用年数が延長され、ターゲットの手前に位置する加速器の構造が受ける損傷が小さくなる。
【００６２】
図８において、矢印６６は熱交換流体を示す。
【００６３】
再度図７を参照すると、板は積層構造を有しており、例えばタングステンから成る円錐状の板７０から構成された基本破砕ターゲットとターゲットエレメントの被覆７２との間には空隙６８が形成されていることが分かる。被覆は、使用時のターゲットエレメントの膨張を許容するように、例えば鋼またはアルミニウム合金製である。
【００６４】
板７０の厚さは中性子源の軸方向分布が平坦になるように板ごとに次第に変化する。
【００６５】
図８に図示したような固体ターゲットの場合には、冷却流体に腐食の問題を生じる。したがって、固体破砕ターゲットの場合には、熱中性子が必要なブランケットの場合には冷却材として水を使用するのが好ましく、熱中性子を必要としない場合にはナトリウムを使用する。この種の流体に関する技術は十分蓄積されている。
【００６６】
冷却材の破砕は、装置の中性子利用効率を低下させ、かつ、再堆積によって冷却回路全体または特定の部位の放射化を引き起こすので有害である。
しかし、ナトリウムと水について、有害な物質によって汚染された回路の純化技術は知られている。
【００６７】
さらに、炭酸ガスやヘリウムのような気体状の冷却流体は、ガスの密度が低いので入射される粒子と殆ど反応せず、装置全体の運転を阻害しないので効率を向上させる。
【００６８】
また、固体破砕ターゲットは、放射能を（被覆された）ターゲットと回路の純化システム内に封じ込める利点を有する。固体ターゲットを構成するエレメントの空間的な配置は、これらのエレメントのために設けられた取り扱いシステムと整合している。
【００６９】
液体破砕ターゲットは、質量数が大きく、ターゲットおよび関連する回路の構造体を構成する材料の機械的および化学的な挙動の観点から適切な温度で液体状の純粋材料または共晶材料から成るのが好ましい。
【００７０】
例えば、水銀、鉛あるいは鉛合金を使用することができる。鉛４５重量％とビスマス５５重量％を含む鉛−ビスマス共晶合金のような合金の第１の利点は、融解熱が小さいことと、相変化の前後で密度に変化が無いことである。ポロニウム２１０や半減期の長いその他の放射性同位元素によって放射化されやすいので、一般に、ビスマスを使用しないのが望ましい。
【００７１】
鉛の非弾性反応（ｎ，ｘｎ）、特にエネルギーが６．２２ＭｅＶより高い中性子との反応（ｎ，２ｎ）の有効断面積（cross section）が小さいので、粒子源を最も有効に使用することができる。
【００７２】
水銀は物理的な腐食性が非常に強いので、装置によっては水銀の使用を避けなければならない。室温では、静的な水銀は、鋼材を１年に１ｍｍ程度溶解させる。
【００７３】
鋼にとっては鉛と鉛合金は同様に腐食性が強いので、固体ターゲットの場合は被覆しておくのが好ましい。内部の酸素濃度を制御すれば腐食を抑制することができるので、純粋な液体鉛または鉛合金を使用することも可能である。使用条件として、酸素濃度は、鉛と不純物が酸化して析出する濃度以下で、鉛が鋼を腐食させる濃度以上の範囲にする。しかし、鋼は回路に溶出し、温度の低い領域や冷却流体の流速が遅い領域で析出する恐れがある。このような析出は、回路を閉塞させる危険性がある。
【００７４】
最後に、本発明でターゲットの破砕にとって主として作用するスペクトルの中性子に対して透明な材料を使用する。この観点からは、自然界に同位体が存在し、この同位体の中性子捕獲断面積が大きいために同位体分離装置によって排除しなければならない不利益があるにもかかわらず、高速または熱中性子のスペクトルに対するターゲットとしては純粋な鉛や鉛合金が好適である。
【００７５】
水銀とタングステンは、熱中性子領域では中性子の捕獲傾向が比較的高いので、基本的に高速中性子のスペクトルのためのターゲットとしてより好適である。
【００７６】
本発明では、（破砕領域を有する）破砕ターゲットは、照射すべき中性子だけが通過するように密封されている。
ターゲットを構成する構造体は中性子に対しては透明で、通常または劣化した状態では、材料を一層完全に密封する。ターゲットは、破砕領域を機械的な意味で隔離する全てのシステムによって包囲される。
【００７７】
公衆と破砕装置を運転する要員のための生態防護は、規則を忠実に遵守して寸法が決定される。
加速された粒子は効率が最大になるように破砕ターゲットに衝突する。
本発明の装置に用いられる中性子防護は、荷電粒子に対する防護対策を兼ねるものである。
【００７８】
収容されるシステム内における破砕ターゲットの位置（例えば、発電用原子炉または転換炉の炉心、原子炉の減速材、三重水素発生ネットワーク）は、文献［５］で定義された重み付け係数（weighting factor）が最大になるように決定するのが好ましい。
【００７９】
次に本発明の利点について述べる。
【００８０】
破砕ターゲットに対して環状の粒子ビームを使用することで、簡単（複雑な形状でなく、図１に示したようなビームが照射されるグリッド２２を必要とせずに）かつ効果的に、破砕ターゲットと当該ターゲットに最も近い真空領域を分離している気密隔壁または窓に発生する熱を低減することができる。
【００８１】
また、本発明の装置は、装置内の繊細な部品を冷却するための冷却流体は使用せずに、順方向型または逆方向型に流れる冷却流体で作動させることができる。そのためには、破砕の影響を受けない領域から冷却流体を導入するだけでよい。
【００８２】
上記によって、装置の中で最も厳しい環境にある部材である気密保持部材が主に利益を受ける。気密隔壁は粒子ビームが到来する側では一般に１０^−９Ｐａ程度の以下の低圧に接し、反対側では冷却流体の圧力を受ける。冷却流体の圧力は一般的には、流体が水またはガスの場合は５×１０^６Ｐａ以上、冷却流体が液体金属の場合は１０^５Ｐａ程度と非常に高い。
【００８３】
さらに、気密隔壁と破砕ターゲットの間に冷却流体の層が介在することによって気密隔壁近傍への中性子の後方散乱（backscatter）は低減する。これは立体角効果と冷却流体の中性子散乱に起因するものである。
【００８４】
図９は、気密隔壁または窓７４とそれに続く中央に貫通孔を有する円錐状のブレード６２の集合体を示す中心軸に沿った断面図であり、ブレードは装置の中心軸Ｘ（粒子ビームの照射方向）に沿って配置されている。
【００８５】
気密隔壁７４と気密隔壁に最も近い円筒状の板６２との間を流れる冷却流体の層は隔壁に最も近い２つの矢印６６で示す。矢印７６は後方散乱された中性子を表わし、ブレード６２の配置によってビームの中心軸に沿って隔壁７４の方に後方散乱される中性子の量が低減される。図９にはまた入射する粒子ビーム６４が示されている。
【００８６】
図１０は、本発明の破砕装置の１つの実施形態を示す軸方向の断面図である。
【００８７】
図示した例では、破砕装置は転換または発電用のハイブリッド原子炉の一部であり、破砕ターゲット７８は液体金属であって冷却流体を兼ね、冷却流体の流れは順方向型である。
【００８８】
図に示されているように、炉心８０（核分裂を行っている部分）内に本発明の装置が設けられている。炉心８０の両側にはプレナム８２が設けられている。
【００８９】
破砕ターゲット７８が循環するチャンバ８４、真空チャンバ８６の端部とその内部で破砕領域の方に向けて照射される中空粒子ビーム８８が図示されている。破砕領域はチャンバ８４内において一点鎖線９０で示す。
【００９０】
真空チャンバ８６の境界は例えば鋼製の凸状をした気密隔壁９２であり、該隔壁はチャンバ８４の内側に凸状であり、ビーム８８を通過させる。
隔壁は、機械的応力の集中を避けるために、ほぼ半球状である。
【００９１】
中空ビーム８８を発生させる手段８９は図示されていない。この点については図４の説明を参照されたい。
【００９２】
矢印９４は液体金属のターゲットの流れを示す。ターゲットは、ビームの照射方向の中心軸Ｘに沿ってビームの照射方向に流れる。
前記中心軸Ｘは、回転体形状のチャンバ８４と気密隔壁９２の回転中心軸でもある。
【００９３】
気密隔壁９２の近傍には、チャンバ８４の内部隔壁に固定されたリブ９６が図示されている。リブは、粒子ビーム６４が邪魔されずに通過できるように、相互に十分な間隔が空けられている。リブは、液体ターゲット、つまり流体冷却材の流れをガイドする。
【００９４】
前記フローガイドは流れの状態を改善して気密隔壁９２近傍の熱交換を改善する。
図１０において、矢印９８は破砕領域内で発生した中性子を示すものである。
【００９５】
図１０に示した装置を含む設備は順次起動される。まず、保存容器（図示しない）の中の冷却流体の温度を次第に作動温度まで昇温し、次にこの冷却流体を循環用の回路（図示しない）に装填する。ポンプ（図示しない）を起動して冷却流体を循環させる。次に粒子加速器（図示しない）を微弱な出力で起動し、設備の種々の構造物に加わる応力が最小になるように出力を次第に上げる。
【００９６】
停止の際は、起動と逆の手順に従う。
【００９７】
液体状の冷却流体の放射化と残存する冷却液体の固化を防止する。形状に関わらず、破砕装置の寸法は、予定または事故による停止後の残存出力が自然対流のような静的手段によって排出可能なように決定される。
【００９８】
加速器の出力は、出力上昇段階が終了した後は、中性子の必要性に基づいて決定される。
【００９９】
発電または転換のための原子炉では、ビームの強度を決定するのは（冷却流体の入口と出口位置における温度データとシステムの核的制御情報から測定された）反応度と出力である。
【０１００】
基礎物理学の研究または技術的な試験のための中性子源の場合は、決定要因は破砕ターゲットの出力である。
【０１０１】
図１１は、液体ターゲットつまり冷却流体の流れが順方向ではなく逆方向である、液体金属を破砕ターゲットとして用いる本発明に基づく装置の実施形態の概念を示す、軸方向に沿った断面図である。
【０１０２】
従って、流れは粒子ビーム８８の照射方向とは逆向きである。
【０１０３】
図１１に示した装置は、リブ９６が無くチャンバ８４の端部が隔壁９２に対向した位置であり、中心軸が回転体形状の装置の中心軸と一致する（粒子ビーム８８の照射の中心軸Ｘとも一致する）環状の基本的なフローガイド１００を有し、当該基本的なフローガイドの両側に開口１０２が設けられている点を除いて、図１０に示した装置と同一である。
【０１０４】
粒子ビームの内径は基本的なフローガイドの外径よりも大きい。
液体破砕ターゲット（冷却流体）はフローガイド１００と開口１０２を通ってチャンバ８４にはいる。
【０１０５】
図１２は本発明の他の実施形態の概念を示す、軸方向に沿った断面図である。
【０１０６】
図示した装置は、リブ９６が無く破砕ターゲットが固体である点を除いて、図１０に示した装置と同一である。
【０１０７】
図１２に示した装置の場合は、矢印９４で示した冷却流体９５の流れは粒子ビーム８８の照射方向と同じである。
【０１０８】
破砕ターゲット６３は、図７に示したような、中央に貫通孔を有する円錐状のターゲットエレメント６２を複数有している。これらのターゲットエレメント６２は同一形状であり、破砕ターゲットと気密隔壁９２の回転軸と一致しているビームの中心軸Ｘに沿って、チャンバ８４内に、前後に連続的に配置されている。
【０１０９】
貫通孔６５の直径はビーム８８の直径よりも小さいが、ターゲットエレメント６２の外径はビーム８８の外径よりも大きい。
【０１１０】
ターゲットエレメント６２は、図示しない手段によってチャンバ８４の内壁に固定されている。
【０１１１】
冷却流体９５は気密隔壁９２の周囲を循環し、隔壁と該隔壁に最も近いターゲットエレメント６２との間を流れ、他のターゲットエレメントの間を流れる。
ターゲットエレメントは円錐状なので、これらは冷却流体の流れをガイドするためにも使用することができる。
【０１１２】
図１０と１１では線９０で、図１２では低部に位置するターゲットエレメントで示した破砕領域は、破砕装置の中性子を最も効率よく用いることができるように設定するのが好ましい。
【０１１３】
図１０ないし１２に示した装置の場合には、冷却流体を強制滞留させるために機械式ポンプまたは電磁ポンプを用いることができる。
【０１１４】
明細書において引用した文献を以下に示す。
［１］米国特許第５１６０６９６号（C. D. Bowman）
［２］米国特許第５７７４５１４号（C. Rubbia）
［３］J.M. Lagniel著「加速器の種々のパーツ−陽子源から１ＧｅＶビームまで」ギデオン・ワークショップ「どのＤＥＭＯにどの加速器？」１〜２４ページ、エクスアンプロヴァンス（フランス）、１９９９年１１月２５、２６日
［４］米国特許第５８１１９４３号（A. Mishin他）
［５］M. Salvatores他著「原子力科学と工学」１２６、ページ３３３〜３４０、１９９７年
【図面の簡単な説明】
【図１】 上述した既知の破砕装置を、軸方向に沿った断面で示す概念図である。
【図２】 既知の破砕装置で使用されている粒子ビームの粒子束密度の半径方向分布を示す概念図である。
【図３】 本発明で使用することができる、粒子ビームの粒子束密度の半径方向分布を示す概念図である。
【図４】 本発明で使用することができる中空ビームを発生可能なスキャン装置の概念図である。
【図５】 前記スキャン装置に到達する粒子ビームの粒子束密度の半径方向分布を示す概念図である。
【図６】 破砕装置の種々のシステムを示す概念図であり、図６Ａは、入射する粒子ビームの照射軸を回転中心とする回転体形状を有する冷却流体の流速と粒子ビームの粒子束密度が、互いに異なる形状を有する可能性を示した概念図である。
【図７】 本発明において、基本破砕ターゲットとして使用することができる円錐状板を一部横断面で示した図である。
【図８】 前記破砕ターゲットエレメントを重ねて構成した、本発明で使用することができる破砕ターゲットの概念図である。
【図９】 図８に示したターゲットと、当該ターゲットと粒子ビームが通過してくる真空チャンバを隔てている気密隔壁との間に位置する冷却流体を示す図である。
【図１０】 本発明の対象である破砕装置の実施形態を示す概念図である。
【図１１】 本発明の対象である破砕装置の実施形態を示す概念図である。
【図１２】 本発明の対象である破砕装置の実施形態を示す概念図である。

Claims (14)

1. 中性子発生のための破砕装置であって、
   −粒子ビーム（８８）との相互作用によって中性子を発生させるための固体の破砕ターゲット（６３）と、
   −前記破砕ターゲット（６３）を収容した第１のチャンバ（８４）と、
   −前記粒子ビーム（８８）を発生する手段（３０）と、
   −前記粒子ビーム（８８）がその内部を照射軸（Ｘ）に沿って破砕ターゲット（６３）に向けて伝播する第２のチャンバ（８６）と、
   −前記粒子ビーム（８８）を通過させ、第１のチャンバ（８４）と第２のチャンバ（８６）を分離し、照射軸を横切る気密隔壁（９２）と、
   −前記第１のチャンバ（８４）内を流れて破砕ターゲット（６３）を冷却する冷却流体（９５）とを具備し、
   前記粒子ビーム（８８）は前記照射軸（Ｘ）を取り囲む中空状であり、
   前記破砕ターゲット（６３）は、連続的に設けられた、中央に貫通孔（６５）を有する円錐状の板からなる複数のターゲットエレメント（６２）を含むことを特徴とする装置。
2. 前記粒子は、陽子、重水素の原子核、三重水素の原子核、ヘリウム３の原子核およびヘリウム４の原子核からなる群から選択された請求項１に記載の装置。
3. 前記粒子ビーム（８８）の粒子密度の半径方向の分布は、ほぼガウシアン分布であり、ビームの中心軸とは別の位置に中心を有する請求項１または２に記載の装置。
4. 前記発生手段（３０）はそれ自体が中空の粒子ビーム（８８）を発生させる請求項１ないし３の何れかに記載の装置。
5. 前記発生手段（３０）は中実な粒子ビーム（２６）から中空の粒子ビーム（８８）を発生させる請求項１ないし３の何れかに記載の装置。
6. 前記気密隔壁（９２）と破砕ターゲット（６３）の間には、冷却流体（９５）が流れるための空隙が設けられている請求項１ないし５の何れかに記載の装置。
7. 前記気密隔壁（９２）が第１のチャンバ（８４）の方に凸な凸状である請求項１ないし６の何れかに記載の装置。
8. 前記気密隔壁（９２）が軸対称形状であって中心軸が照射軸（Ｘ）と一致している請求項１ないし７の何れかに記載の装置。
9. 中性子発生のための破砕装置であって、
   −粒子ビームとの相互作用によって中性子を発生させるための、液体の破砕ターゲット（７８）と、
   −照射軸（Ｘ）を囲む中空の粒子ビーム（８８）を形成する手段と、
   −前記照射軸（Ｘ）に対して軸対称であり、前記液体破砕ターゲット（７８）を収容した第１のチャンバ（８４）と、
   −前記照射軸（Ｘ）に対して軸対称であり、前記粒子ビーム（８８）がその内部を照射軸（Ｘ）に沿って前記液体破砕ターゲット（７８）に向けて伝播する第２のチャンバ（８６）と、
   −前記照射軸（Ｘ）に対して軸対称であり、前記粒子ビーム（８８）を通過させ、第１のチャンバ（８４）と第２のチャンバ（８６）を分離し、照射軸を横切る気密隔壁（９２）とを含み、
   前記第１のチャンバ（８４）は、前記粒子ビーム（８８）の入射側の端部に、前記液体粉砕ターゲット（７８）の流入口を有し、
   前記第１のチャンバ（８４）は、前記第１のチャンバ（８４）の側面の内部に沿って前記流入口から下流向きにある距離だけ伸びる、前記気密隔壁（９２）に対向しているリブ（９６）を有し、
   前記液体破砕ターゲット（７８）が、前記第１のチャンバ（８４）内で、前記照射軸（Ｘ）に沿って前記粒子ビーム（８８）の照射方向に移動することを特徴とする装置。
10. 中性子発生のための破砕装置であって、
    −粒子ビームとの相互作用によって中性子を発生させるための液体の破砕ターゲット（７８）と、
    −照射軸（Ｘ）を囲む中空の粒子ビーム（８８）を形成する手段と、
    −前記照射軸（Ｘ）に対して軸対称であり、前記液体破砕ターゲット（７８）を収容した第１のチャンバ（８４）と、
    −前記照射軸（Ｘ）に対して軸対称であり、前記粒子ビーム（８８）がその内部を照射軸（Ｘ）に沿って前記液体破砕ターゲット（７８）に向けて伝播する第２のチャンバ（８６）と、
    −前記照射軸（Ｘ）に対して軸対称であり、前記粒子ビーム（８８）を通過させ、第１のチャンバ（８４）と第２のチャンバ（８６）を分離し、照射軸を横切る気密隔壁（９２）とを含み、
    前記第１のチャンバ（８４）は、前記粒子ビーム（８８）の出射側の端部に、前記液体粉砕ターゲット（７８）の流入口である、筒状のフローガイド（１００）と前記フローガイド（１００）を囲む開口（１０２）を含み、
    前記液体破砕ターゲット（７８）が、前記第１のチャンバ（８４）内で、前記照射軸（Ｘ）に沿って前記粒子ビーム（８８）の照射とは反対の方向に移動することを特徴とする装置。
11. 前記粒子は、陽子、重水素の原子核、三重水素の原子核、ヘリウム３の原子核およびヘリウム４の原子核からなる群から選択された請求項９または１０に記載の装置。
12. 前記粒子ビーム（８８）の粒子密度の半径方向の分布は、ほぼガウシアン分布であり、ビームの中心軸とは別の位置に中心を有する請求項９ないし１１の何れかに記載の装置。
13. 前記中空の粒子ビームの形成手段は中実な粒子ビーム（２６）から中空の粒子ビーム（８８）を発生させる請求項９ないし１２の何れかに記載の装置。
14. 前記気密隔壁（９２）が第１のチャンバ（８４）の方に凸な凸状である請求項９ないし１３の何れかに記載の装置。

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