JP6020952B1 - Method for processing long-lived fission products - Google Patents

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Abstract

荷電粒子ビームを入射させるターゲットの構成を最適化することで、安定核種への変換処理を効率化させる長寿命核分裂生成物の処理方法を提供する。【解決手段】長寿命核分裂生成物の処理方法は、放射性廃棄物10からCs、Zr、Se、Sn及びPdのうち少なくとも二種類の元素(第1元素11及び第2元素12)を個別に分離抽出し(S21)、荷電粒子ビーム15が入射した場合の飛程データを取得し(S22)、長さサイズが飛程データの1.0倍から2.0倍の範囲にある第1バルク体21を第1元素11により作成し(S23〜S25)、第1バルク体の周囲に配置される第2バルク体を第2元素12により作成し(S26,S27)、核子当たりのエネルギー値が0.5〜1.5GeVの範囲内である荷電粒子ビームを照射させる(S28〜S30)。Provided is a method for treating a long-lived fission product that optimizes the configuration of a target on which a charged particle beam is incident, thereby improving the efficiency of conversion to a stable nuclide. A long-lived fission product treatment method separates at least two elements (first element 11 and second element 12) of Cs, Zr, Se, Sn and Pd from radioactive waste 10 individually. Extract (S21), obtain range data when the charged particle beam 15 is incident (S22), and the first bulk body whose length size is in the range of 1.0 to 2.0 times the range data 21 is made of the first element 11 (S23 to S25), and a second bulk body arranged around the first bulk body is made of the second element 12 (S26, S27), and the energy value per nucleon is 0. Irradiation with a charged particle beam in the range of 0.5 to 1.5 GeV (S28 to S30).

Description

本発明は、核燃料の燃焼に伴い生成した長寿命核分裂生成物の処理技術に関する。   The present invention relates to a technique for treating a long-lived fission product generated with combustion of nuclear fuel.

原子力発電所を保有する電力事業者は、大量の使用済核燃料を保管しており、これらの安全・有効な処理方法を確立することが喫緊の課題となっている。
そこで、使用済核燃料から、核分裂性のU−235やPuを抽出し、非核分裂性のU−238に3−5%程度混ぜて、新しい燃料を再生する核燃料サイクルが推進されている。
Electric power companies that own nuclear power plants store a large amount of spent nuclear fuel, and establishing these safe and effective treatment methods is an urgent issue.
Therefore, a nuclear fuel cycle has been promoted in which fissile U-235 and Pu are extracted from spent nuclear fuel and mixed with non-fissile U-238 by about 3-5% to regenerate new fuel.

100万キロワット級の原子力発電所からは、毎年約20トンの使用済核燃料が発生する。3%濃縮ウラン燃料(U−235:3%,U−238:97%)の使用済核燃料には、U−235が1%、U−238が95%、Puが1%、その他生成物が3%含まれている。
そして、この生成物は、マイナーアクチノイド(MA)、白金族、短寿命核分裂生成物(SLFP:Short Lived Fission Products)、長寿命核分裂生成物(LLFP:Long Lived Fission Products)に分類される。
A nuclear power plant with a capacity of 1 million kilowatts generates about 20 tons of spent nuclear fuel every year. Spent nuclear fuel of 3% enriched uranium fuel (U-235: 3%, U-238: 97%) contains 1% U-235, 95% U-238, 1% Pu, and other products. 3% is included.
The products are classified into minor actinoids (MA), platinum group, short-lived fission products (SLFP), and long-lived fission products (LLFP).

これら生成物は、中性子を吸収する性質が高く、その増加に伴い核分裂の連鎖反応の進行を妨げる原因となる核種が多く含まれる。また、これらの核種の多くは放射性核種である。
このため、これら生成物は、使用済核燃料の再処理に伴って不可避的に発生する高レベル廃液(HALW;Highly Active Liquid Waste)及びこの高レベル廃液を処分できる形態にしたガラス固化体に、多く含まれている。
この高レベル廃液(HALW)のガラス固化体の放射能は、非常に長期間(数万年以上)高いレベルで残るために、人間による管理が失われても問題のない処分方法が必要となっている。実際に、このガラス固化体は、既に保有されており、処分までの間に厳重な管理が行われている。
These products are highly neutron-absorbing and contain many nuclides that cause an increase in the fission chain reaction. Many of these nuclides are radionuclides.
For this reason, many of these products are contained in high-level liquid waste (HALW) that is inevitably generated as a result of reprocessing of spent nuclear fuel, and vitrified bodies in a form in which this high-level liquid waste can be disposed of. include.
The high-level waste liquid (HALW) vitrified material remains at a high level for a very long time (tens of thousands of years or more), so a disposal method that does not cause any problems even if human management is lost is required. ing. Actually, this vitrified body is already held, and is strictly managed before disposal.

そこで、高レベル廃液(HALW)の処分、及び既に保有されているガラス固化体の管理に伴う負担軽減を目的として、含まれる核種を半減期や化学的性質に応じたグループに分離し、グループ毎にそれぞれの性質に応じた処分法を選択することが検討されている。
これにより、高レベル放射性廃棄物の放射能が高い状態が続く期間を短縮し、さらに保管スペースを節約することができる。
Therefore, for the purpose of reducing the burden associated with disposal of high-level liquid waste (HALW) and management of vitrified solids already contained, the contained nuclides are separated into groups according to their half-life and chemical properties. The selection of disposal methods according to their properties is under consideration.
As a result, the period during which the high-level radioactive waste is highly radioactive can be shortened, and the storage space can be saved.

そして、高レベル廃液(HALW)及びガラス固化体から分離されたグループのうちLLFPを含むグループに対しては、核変換技術を適用し、短寿命放射性核種又は安定核種に核変換する技術が検討されている。
具体的には、LLFPに、ガンマ線を照射して中性子を放出させる光核反応(γ,n)や中性子を照射してガンマ線を放出させる中性子捕獲反応(n,γ)を適用し、より半減期の短い同位体に核変換する技術が開示されている(例えば、特許文献1,2)。
Among the groups separated from high-level liquid waste (HALW) and vitrified solids, the transmutation technology is applied to the group containing LLFP, and technology for transmutation to short-lived radionuclides or stable nuclides is studied. ing.
Specifically, the photonuclear reaction (γ, n) that emits neutrons by irradiating gamma rays and the neutron capture reaction (n, γ) that emits gamma rays by irradiating neutrons are applied to LLFP, and the half-life is further increased. Have been disclosed (for example, Patent Literatures 1 and 2).

特開平5−119178号公報JP-A-5-119178 特表2002−519678号公報JP-T-2002-519678

しかし、上述の光核反応(γ,n)や中性子捕獲反応(n,γ)では、反応断面積の核種依存性が大きいために、効率的な核変換を達成できるLLFPが限定的である。
そこで、高エネルギーの荷電粒子ビームを、LLFPに直接照射して、核変換させることが考えられる。
However, in the above-mentioned photonuclear reaction (γ, n) and neutron capture reaction (n, γ), the reaction cross section has a high dependence on the nuclide, so that LLFP capable of achieving efficient transmutation is limited.
In view of this, it is conceivable that the LLFP is directly irradiated with a high-energy charged particle beam for nuclear transformation.

ところで、既に現存するLLFPの量、並びに国内の原子力発電所がフル稼働した場合に今後新たに発生するLLFPの量を鑑みると、核変換処理の高速化が求められる。
この核変換処理を高速化する課題は、高エネルギーでかつ大電流の荷電粒子ビームを照射するように、加速器の性能向上を図ることで解決される。
しかし、そのような性能上限を無制限に追及していく高エネルギー加速器の開発は、コストや設備の規模を鑑みれば現実的でない。
By the way, in view of the amount of LLFP that already exists and the amount of LLFP that is newly generated in the future when a domestic nuclear power plant is in full operation, speeding up of the nuclear transmutation process is required.
The problem of speeding up the transmutation process can be solved by improving the performance of the accelerator so as to irradiate a charged particle beam of high energy and large current.
However, development of a high-energy accelerator that pursues such an upper limit of performance without limitation is not realistic in view of cost and facility scale.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、荷電粒子ビームを入射させるターゲットの構成を最適化することで、安定核種への変換処理を効率化させる長寿命核分裂生成物の処理方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a method for processing a long-lived fission product that optimizes the configuration of a target on which a charged particle beam is incident, thereby improving the efficiency of conversion to a stable nuclide. The purpose is to provide.

長寿命核分裂生成物の処理方法において、放射性廃棄物から、セシウム(Cs)、ジルコニウム(Zr)、セレン(Se)、スズ(Sn)及びパラジウム(Pd)のうち少なくとも二種類の元素(第1元素及び第2元素)を同じ原子番号を有し質量数の異なる同位体元素の群として個別に分離抽出するステップと、前記第1元素で構成した仮想的なターゲットに、所定の性能値の荷電粒子ビームが、入射した場合の飛程データを取得するステップと、前記荷電粒子ビームの入射軸に沿う方向の長さサイズが前記飛程データの1.0倍から2.0倍の範囲にある第1バルク体を、前記第1元素により作成するステップと、前記入射軸が回転対称軸となるように前記第1バルク体の周囲に配置される第2バルク体を、前記第2元素により作成するステップと、前記性能値のうち核子当たりのエネルギー値が0.5〜1.5GeVの範囲内である荷電粒子ビームを、前記第1バルク体及び前記第2バルク体を複合化させたターゲットに、前記入射軸に沿って照射させるステップと、を含むことを特徴とする。 In the method for treating a long-lived fission product, at least two elements (first element) of radioactive waste from cesium (Cs), zirconium (Zr), selenium (Se), tin (Sn), and palladium (Pd) are used. And the second element) separately as a group of isotope elements having the same atomic number and different mass numbers, and charged particles having a predetermined performance value in a virtual target composed of the first element. A step of acquiring range data when the beam is incident, and a length size of the charged particle beam in a direction along the incident axis is in a range of 1.0 to 2.0 times the range data. Creating a first bulk body from the first element, and creating a second bulk body arranged around the first bulk body so that the incident axis is a rotationally symmetric axis, from the second element. Tep and a charged particle beam having an energy value per nucleon within the range of 0.5 to 1.5 GeV among the performance values, to a target obtained by combining the first bulk body and the second bulk body, Irradiating along the incident axis.

本発明により、荷電粒子ビームを入射させるターゲットの構成を最適化することで、安定核種への変換処理を効率化させる長寿命核分裂生成物の処理方法が提供される。   According to the present invention, there is provided a method for treating a long-lived fission product that optimizes the configuration of a target on which a charged particle beam is incident, thereby improving the efficiency of the conversion process to a stable nuclide.

本発明に係る放射性廃棄物の処理方法の実施形態を説明するフローチャート。The flowchart explaining embodiment of the processing method of the radioactive waste which concerns on this invention. 本実施形態において荷電粒子ビームが照射されるターゲットの構成図。The block diagram of the target irradiated with a charged particle beam in this embodiment. 使用済核燃料に含まれる長寿命核分裂生成物(LLFP)のうち本実施形態が対象とするものの同位体組成を示すテーブル。The table which shows the isotopic composition of what this embodiment makes object among long-lived fission products (LLFP) contained in a spent nuclear fuel. 使用済核燃料の年間処理目標量を800トンとした場合、図3のLLFP核種及びその同位体元素の年間発生量、並びにそれらの密度を示すテーブル。FIG. 4 is a table showing the annual generation amounts of LLFP nuclides and their isotopes in FIG. 3 and their densities when the annual processing target amount of spent nuclear fuel is 800 tons. ターゲットの内部におけるLLFP核種(135Cs,107Pd,93Zr,79Se,126Sn)の中性子フラックス分布を示すグラフ。Graph showing the neutron flux distribution LLFP nuclides (135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se, 126 Sn) in the interior of the target. LLFP核種(135Cs,107Pd,93Zr,79Se,126Sn)の(n,γ)反応及び(n,2n)反応の反応断面積を示すグラフ。LLFP nuclides (135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se, 126 Sn) of (n, γ) reaction and (n, 2n) graph illustrating the reaction cross-sectional area of the reaction. R2=15cmで固定、R1=0〜15cmの範囲で可変、とした寸法のCs+Pd複合ターゲットにおいて、ワンショット当たりの荷電粒子が消滅させるLLFPの粒子数を表すグラフ。The graph showing the number of particles of LLFP in which charged particles per one shot are extinguished in a Cs + Pd composite target having a size of R2 = 15 cm fixed and R1 = 0 to 15 cm variable. R2=15cmで固定、R1=0〜15cmの範囲で可変、とした寸法のZr+Pd複合ターゲットにおいて、ワンショット当たりの荷電粒子が消滅させるLLFPの粒子数を表すグラフ。The graph showing the number of particles of LLFP in which charged particles per one shot are extinguished in a Zr + Pd composite target having a size of R2 = 15 cm fixed and R1 = 0 to 15 cm. R2=15cmで固定、R1=0〜15cmの範囲で可変、とした寸法のSe+Pd複合ターゲットにおいて、ワンショット当たりの荷電粒子が消滅させるLLFPの粒子数を表すグラフ。The graph showing the number of particles of LLFP in which charged particles per one shot are extinguished in a Se + Pd composite target having a size that is fixed at R2 = 15 cm and variable within a range of R1 = 0-15 cm. R2=15cmで固定、R1=0〜15cmの範囲で可変、とした寸法のCs+Zr複合ターゲットにおいて、ワンショット当たりの荷電粒子が消滅させるLLFPの粒子数を表すグラフ。The graph showing the number of particles of LLFP in which charged particles per one shot are extinguished in a Cs + Zr composite target of a size that is fixed at R2 = 15 cm and variable within a range of R1 = 0-15 cm. LLFP核種(135Cs,107Pd,93Zr,79Se)の各々により構成される仮想ターゲットについて、プロトンビームのエネルギーE(MeV)を横軸とし、1個のLLFP核種を変換させるのに必要な変換エネルギーE/h(MeV)を縦軸に表したグラフ。Necessary to convert one LLFP nuclide for a virtual target composed of LLFP nuclides ( 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se) with proton beam energy E (MeV) as the horizontal axis The graph which represented conversion energy E / h (MeV) on the vertical axis | shaft. 135Cs核種により構成される仮想ターゲットについて、陽子(プロトン)、重陽子(ジュウテロン)、炭素による荷電粒子ビームの核子当たりのエネルギーを横軸とし、変換エネルギーを縦軸に表したグラフ。 The graph which expressed the energy per nucleon of the charged particle beam by a proton (proton), a deuteron (deuteron), and carbon about a virtual target comprised by 135 Cs nuclide, and expressed conversion energy on the vertical axis. 107Pd核種により構成される仮想ターゲットについて、陽子(プロトン)、重陽子(ジュウテロン)、炭素による荷電粒子ビームの核子当たりのエネルギーを横軸とし、変換エネルギーを縦軸に表したグラフ。 The graph which represented the energy per nucleon of the charged particle beam by a proton (proton), a deuteron (deuteron), and carbon about the virtual target comprised by a 107 Pd nuclide, and expressed conversion energy on the vertical axis. 93Zr核種により構成される仮想ターゲットについて、陽子(プロトン)、重陽子(ジュウテロン)、炭素による荷電粒子ビームの核子当たりのエネルギーを横軸とし、変換エネルギーを縦軸に表したグラフ。 93 A graph in which the energy per nucleon of a charged particle beam of proton (proton), deuteron (deuteron), and carbon is plotted on the horizontal axis and the conversion energy is plotted on the vertical axis for a virtual target composed of 93 Zr nuclides. 79Se核種により構成される仮想ターゲットについて、陽子(プロトン)、重陽子(ジュウテロン)、炭素による荷電粒子ビームの核子当たりのエネルギーを横軸とし、変換エネルギーを縦軸に表したグラフ。 79 A graph in which the energy per nucleon of a charged particle beam of proton (proton), deuteron (deuteron), and carbon is plotted on the horizontal axis and the conversion energy is plotted on the vertical axis for a virtual target composed of 79 Se nuclides. 135Csを含む同位体元素の群を元素分離してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing a target by isolating the group of isotope elements containing 135 Cs, and irradiating the proton beam of 1.0 GeV. 135Csを含む同位体元素の群を偶奇濃縮してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows the quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing the target by even-odd concentration of the group of isotope elements containing 135 Cs, and irradiating the proton beam of 1.0 GeV. 135Csを同位体抽出してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing a target by isotope extraction of 135 Cs and irradiating a proton beam of 1.0 GeV. 107Pdを含む同位体元素の群を元素分離してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows the quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing a target by separating the group of isotope elements containing 107 Pd, and irradiating the proton beam of 1.0 GeV. 107Pdを含む同位体元素の群を偶奇濃縮してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows the quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing the target by even-odd concentration of the group of isotope elements containing 107 Pd, and irradiating the proton beam of 1.0 GeV. 107Pdを同位体抽出してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows the quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing a target by 107 Pd isotope extraction and irradiating the proton beam of 1.0 GeV. 93Zrを含む同位体元素の群を元素分離してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 93 is a graph showing the quantity distribution of nuclides converted and generated by charged particles per shot when a target is produced by separating a group of isotope elements including 93 Zr and irradiated with a proton beam of 1.0 GeV. 93Zrを含む同位体元素の群を偶奇濃縮してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows the quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot when a target is produced by even-odd concentration of the group of isotope elements containing 93 Zr, and the proton beam of 1.0 GeV is irradiated. 93Zrを同位体抽出してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 The graph which shows the quantity distribution of the nuclide converted and produced | generated by the charged particle per shot at the time of producing a target by isotope extraction of 93 Zr and irradiating the proton beam of 1.0 GeV. 79Seを含む同位体元素の群を元素分離してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 79 A graph showing the quantity distribution of nuclides converted and generated by charged particles per shot when a target is produced by separating a group of isotope elements including Se and irradiated with a proton beam of 1.0 GeV. 79Seを含む同位体元素の群を偶奇濃縮してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 79 A graph showing the quantity distribution of nuclides converted and generated by charged particles per shot when a target is produced by even-odd enrichment of an isotope element group containing 79 Se and irradiated with a proton beam of 1.0 GeV. 79Seを同位体抽出してターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示すグラフ。 79 A graph showing the number distribution of nuclides converted and generated by charged particles per shot when a target is produced by isotopic extraction of Se and irradiated with a proton beam of 1.0 GeV. 複合ターゲットと単独ターゲットとを、それぞれ元素分離、偶奇濃縮、同位体抽出により作製し、1.0GeVのプロトンをワンショット入射させた際のLLFP核種の消滅数を求めたテーブル。A table in which a composite target and a single target were prepared by elemental separation, even-odd concentration, and isotope extraction, respectively, and the number of LLFP nuclides annihilated when a 1.0 GeV proton was incident on one shot.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1のフローチャートに示すように(適宜、図2参照)、実施形態に係る長寿命核分裂生成物(以下、LLFPという)の処理方法は、放射性廃棄物10から、セシウム(Cs)、ジルコニウム(Zr)、セレン(Se)、スズ(Sn)及びパラジウム(Pd)のうち少なくとも二種類の元素(第1元素11及び第2元素12)を、個別に分離抽出するステップ(S21)と、第1元素11で構成した仮想的なターゲットに、所定の性能値13の荷電粒子ビーム15(図2)が、入射した場合の飛程データを取得するステップ(S22)と、荷電粒子ビーム15の入射軸16に沿う方向の長さサイズLが飛程データの1.0倍から2.0倍の範囲にある第1バルク体21を、第1元素11により作成するステップ(S23〜S25)と、入射軸16が回転対称軸となるように第1バルク体21の周囲に配置される第2バルク体22を、第2元素12により作成するステップ(S26,S27)と、性能値13のうち核子当たりのエネルギー値が0.5〜1.5GeVの範囲内である荷電粒子ビーム15を、第1バルク体21及び第2バルク体22を複合させたターゲット23に、入射軸16に沿って照射させるステップ(S28〜S30)と、を含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in the flowchart of FIG. 1 (refer to FIG. 2 as appropriate), the method for treating a long-lived fission product (hereinafter referred to as LLFP) according to the embodiment starts with radioactive waste 10 from cesium (Cs), zirconium (Zr ), Selenium (Se), tin (Sn), and palladium (Pd), at least two elements (first element 11 and second element 12) are separately separated and extracted (S21), and the first element A step (S22) of acquiring range data when a charged particle beam 15 (FIG. 2) having a predetermined performance value 13 is incident on the virtual target constituted by 11, and an incident axis 16 of the charged particle beam 15; A first bulk body 21 having a length L in the direction along the range of 1.0 to 2.0 times the range data by the first element 11 (S23 to S25); A step (S26, S27) of creating a second bulk body 22 arranged around the first bulk body 21 so that 16 is a rotationally symmetric axis with the second element 12; A step of irradiating the target 23 combined with the first bulk body 21 and the second bulk body 22 along the incident axis 16 with the charged particle beam 15 having an energy value in the range of 0.5 to 1.5 GeV ( S28 to S30).

そして、ターゲット23に対する荷電粒子ビーム15の照射を継続し(S31 No)、設定した時間が経過したところで照射を停止する(S31 Yes)。
そして、照射済みのターゲット23を荷電粒子ビーム15の照射系の外に搬出するとともに(S32)新たなターゲット23に交換して照射系に配置する(S33,S29)。
以降は、上述のフローを繰り返す。
Then, the irradiation of the charged particle beam 15 on the target 23 is continued (S31 No), and the irradiation is stopped when the set time has elapsed (S31 Yes).
Then, the irradiated target 23 is carried out of the irradiation system of the charged particle beam 15 (S32) and replaced with a new target 23 and arranged in the irradiation system (S33, S29).
Thereafter, the above flow is repeated.

本実施形態で適用対象となる放射性廃棄物10は、核分裂生成物(FP:Fission Products)を含むものを想定している。この核分裂生成物(FP)とは、ウランU−235やプルトニウムPu−239等の核分裂性核種が核分裂して、二つ以上に分離した核種を指す。
ウランU−235の核分裂生成物(FP)の元素の種類は、ニッケル(原子番号28)からジスプロシウム(原子番号66)までの約40種類である。
そして、ウランU−235の核分裂生成物(FP)の質量数に対する収率分布は、72から160の範囲にわたり、質量数90及び140付近に極大値をもつダブルピーク形状をなしている。
It is assumed that the radioactive waste 10 to be applied in the present embodiment includes a fission product (FP). This fission product (FP) refers to a nuclide separated by fission of a fissionable nuclide such as uranium U-235 or plutonium Pu-239 into two or more.
There are about 40 kinds of elements of the fission product (FP) of uranium U-235, from nickel (atomic number 28) to dysprosium (atomic number 66).
And the yield distribution with respect to the mass number of the fission product (FP) of uranium U-235 ranges from 72 to 160, and has a double peak shape having maximum values in the vicinity of the mass numbers 90 and 140.

このように核分裂生成物(FP)は、同位体を区別すると数百種類にわたり、さらにこれらは安定核種と放射性核種とに分類され、このうち放射性核種は原子核崩壊により、より安定な核種に変化する。
原子核崩壊の半減期の短い放射性核種(SLFP)は、短時間に多量の放射線を放つが、時間経過とともに放射能が急速に減衰するため、所定期間の保管により無害化することができる。
In this way, fission products (FP) are classified into hundreds of types when the isotopes are distinguished, and these are further classified into stable nuclides and radionuclides, of which radionuclides change to more stable nuclides due to nuclear decay. .
A radionuclide (SLFP) with a short half-life of nuclear decay emits a large amount of radiation in a short time, but its radioactivity rapidly decays with time, so it can be rendered harmless by storage for a predetermined period.

一方で、半減期の長いLLFPは、放射線量が少ないが減衰速度が遅いために、大量に所持している場合は、人間による管理が失われても問題のない処分方法が必要となっている。
このために、LLFPを、短寿命放射性核種(SLFP)又は安定核種に核変換することができれば、放射性廃棄物の管理負担を軽減することができる。
On the other hand, LLFP with a long half-life has a low radiation dose but a slow decay rate. Therefore, when possessing a large amount, LLFP requires a disposal method that does not cause any problems even if human management is lost. .
For this reason, if LLFP can be transmuted to short-lived radionuclides (SLFP) or stable nuclides, the management burden of radioactive waste can be reduced.

図3は、使用済核燃料に含まれるLLFPのうち本実施形態が対象とするものの同位体組成を示している。
核分裂生成物(FP)に含まれる主要なLLFP(カッコ内は半減期)としては、セレンSe−79(2.95×105年)、パラジウムPd−107(6.5×106年)、ジルコニウムZr−93(1.5×106年)、セシウムCs−135(2.3×106年)、ヨウ素I−129(1.57×107年)、テクネチウムTc−99(2.1×105年)、スズSn−126(2.3×105年)が挙げられる。
FIG. 3 shows the isotope composition of the target LLFP included in the spent nuclear fuel.
Major LLFPs contained in the fission product (FP) (half-life in parentheses) include selenium Se-79 (2.95 × 10 5 years), palladium Pd-107 (6.5 × 10 6 years), Zirconium Zr-93 (1.5 × 10 6 years), Cesium Cs-135 (2.3 × 10 6 years), Iodine I-129 (1.57 × 10 7 years), Technetium Tc-99 (2.1 X 10 5 years) and tin Sn-126 (2.3 x 10 5 years).

このうち、ヨウ素I−129、及びテクネチウムTc−99については、他の方法により効率的に短寿命化させる報告例があるため、本実施形態において検討から外しているが、本発明の対象にすることもできる。
なお、半減期が1010年以上の放射性核種は、準安定核種とみなし、長寿命核分裂生成物に含めていない。
Among these, iodine I-129 and technetium Tc-99 are excluded from the examination in the present embodiment because there is a report example of effectively shortening the life by other methods, but are the subject of the present invention. You can also.
Radionuclides with a half-life of 10 10 years or more are considered metastable nuclides and are not included in long-lived fission products.

図4は、使用済核燃料の年間処理目標量を800トンとした場合、図3のLLFP核種及びその同位体元素の年間発生量、並びにそれらの密度を示している。   FIG. 4 shows the annual generation amounts of LLFP nuclides and their isotopes in FIG. 3 and their densities when the annual processing target amount of spent nuclear fuel is 800 tons.

図1(S21)の工程は、多数の核種が混在している放射性廃棄物10から、着目したLLFP核種を含む同位体元素の群を分離抽出する工程である。
つまり、注目するLLFP核種(135Cs,107Pd,93Zr,79Se,126Sn)と同じ原子番号(陽子数)Zを有し、質量数(陽子数+中性子数)Aの異なる元素の群(Cs,Pd,Zr,Se,Sn)がそれぞれ別々に抽出される。
The process of FIG. 1 (S21) is a process of separating and extracting a group of isotope elements including the focused LLFP nuclide from the radioactive waste 10 in which many nuclides are mixed.
That is, a group of elements having the same atomic number (proton number) Z as the LLFP nuclide of interest ( 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se, 126 Sn) and having a mass number (proton number + neutron number) A (Cs, Pd, Zr, Se, Sn) are extracted separately.

このような同位体元素群である第1元素11及び第2元素12の分離抽出方法は、一般的な元素分離方法を適用することができる。そのような元素分離方法は、例えば、電解法、溶媒抽出法、イオン交換法、沈殿法、および乾式法もしくは、これらの組合せが挙げられる。また、放射性廃棄物としてガラス固化体が対象の場合、分離抽出の前工程でガラス固化体の溶解もしくは分解が必要であるが、一般的な溶解/分解法が適用でき、例えば、アルカリ融解法、溶融塩法(電解還元、化学還元)、高温融解法、ハロゲン化法、酸溶解法、アルカリ溶解法が挙げられる。ガラス固化体が溶解もしくは分解した後は、前記の一般的な元素分離方法を適用することができる。   A general element separation method can be applied to the method for separating and extracting the first element 11 and the second element 12 which are such isotope element groups. Examples of such element separation methods include an electrolytic method, a solvent extraction method, an ion exchange method, a precipitation method, and a dry method, or a combination thereof. In addition, when a vitrified body is a target for radioactive waste, it is necessary to dissolve or decompose the vitrified body in the previous step of separation and extraction, but a general dissolution / decomposition method can be applied, for example, an alkali melting method, Examples include molten salt methods (electrolytic reduction, chemical reduction), high temperature melting methods, halogenation methods, acid dissolution methods, and alkali dissolution methods. After the vitrified body is dissolved or decomposed, the above-described general element separation method can be applied.

さらに(S21)の工程では、放射性廃棄物10から抽出された後の第1元素11及び第2元素12のうち少なくとも一方に対し、さらに中性子の数に基づく核種の偶奇濃縮がなされ、LLFP核種の濃度を高める場合がある。
偶奇濃縮とは、同位体元素群における濃縮効果の偶奇性に基づいて、中性子数が奇数の同位体群及び中性子数が偶数の同位体群のいずれか一方に濃縮する処理を意味する。
Further, in the step (S21), even-odd concentration of nuclides based on the number of neutrons is further performed on at least one of the first element 11 and the second element 12 after being extracted from the radioactive waste 10, and the LLFP nuclide The concentration may be increased.
Even-odd enrichment means a process of concentrating to either an isotope group with an odd number of neutrons or an isotope group with an even number of neutrons based on the even-oddity of the enrichment effect in the isotope element group.

原子スペクトル線の振動数が同位体によってわずかにずれ、奇数核と偶数核においてそれぞれ光の偏光に対する光学遷移の選択則が異なるという、アイソトープシフト現象が知られている。このアイソトープシフト現象は、左右円偏光レーザーによる電子励起過程における遷移選択則が、陽子数が偶数の場合、核スピン0である偶々核と偶奇核で異なるという性質に基づく。
偶奇濃縮の処理工程は、具体的には、偏光を制御したレーザーを照射して、奇数核種のみをイオン化させることが挙げられるが、特に限定はない。
この偶奇濃縮の処理工程を経ることにより、LLFP核種の濃度を高めることができ、ワンショット当たりの荷電粒子により消滅させるLLFP核種の粒子数を増加させることができる。
An isotope shift phenomenon is known in which the frequency of atomic spectral lines slightly shifts depending on the isotope, and the selection rule of the optical transition with respect to the polarization of light is different between the odd and even nuclei. This isotope shift phenomenon is based on the property that the transition selection rule in the electronic excitation process by the left and right circularly polarized lasers is different between an even-numbered nucleus and an even-numbered nucleus when the number of protons is an even number.
The even-odd concentration treatment step specifically includes irradiating a laser with controlled polarization to ionize only odd-numbered nuclides, but is not particularly limited.
Through this even-odd concentration treatment step, the concentration of LLFP nuclides can be increased, and the number of LLFP nuclides to be extinguished by charged particles per shot can be increased.

図1(S22)の工程は、第1元素11で構成した仮想的なターゲットに、所定の性能値13の荷電粒子ビーム15(図2)が、入射した場合の飛程データを演算する。
高エネルギーの荷電粒子ビーム15が第1元素11で構成されるターゲットに入射した場合を想定する。この同位体元素群の内部を通過する荷電粒子ビーム15は、電子と相互作用を起こしてエネルギーを消失し、このターゲットが十分に大きければ途中で停止する。
In the step of FIG. 1 (S22), range data is calculated when a charged particle beam 15 (FIG. 2) having a predetermined performance value 13 is incident on a virtual target composed of the first element 11.
Assume that a high-energy charged particle beam 15 is incident on a target composed of the first element 11. The charged particle beam 15 passing through the inside of this isotope group interacts with electrons and loses energy. If the target is sufficiently large, the charged particle beam 15 stops halfway.

荷電粒子ビーム15が入射してから停止するまでの距離を飛程と呼ぶ。この飛程は、入射した荷電粒子の電荷量、質量及びエネルギーといったビーム性能値13、並びにターゲットの電子密度によって決定される。よって、共通の荷電粒子ビーム15を用いる場合、飛程は、ターゲットを構成する核種の電荷密度に応じて減少する関係を有している。   The distance from when the charged particle beam 15 enters until it stops is called the range. This range is determined by the beam performance value 13 such as the charge amount, mass and energy of the incident charged particles, and the electron density of the target. Therefore, when the common charged particle beam 15 is used, the range has a relationship of decreasing according to the charge density of the nuclide constituting the target.

図1(S23)の工程は、演算により取得した飛程データを1.0倍から2.0倍の範囲で拡張した値を、ターゲット23(図3)の長さサイズLに設定する。
荷電粒子ビーム15がターゲット23に入射した一次粒子は、この飛程において、ターゲット23を構成する第1元素11を核反応により核変換させる。
このためターゲット23の長さサイズLが、1.0倍より小さいと、一次粒子がターゲット23を突き抜けて、ワンショット当たりの荷電粒子が消滅させるLLFP核種の数が減少してしまう。
そしてターゲット23の長さサイズLが、2.0倍よりも大きいと、一次粒子が未到達の領域が増えて、ターゲット23で全体平均した核種の変換率が低下してしまう。
In the step of FIG. 1 (S23), a value obtained by expanding the range data acquired by calculation in the range of 1.0 to 2.0 times is set as the length size L of the target 23 (FIG. 3).
The primary particles with the charged particle beam 15 incident on the target 23 transmutate the first element 11 constituting the target 23 by nuclear reaction in this range.
For this reason, when the length size L of the target 23 is smaller than 1.0 times, the primary particles penetrate the target 23, and the number of LLFP nuclides in which the charged particles per one shot disappear is reduced.
And if the length size L of the target 23 is larger than 2.0 times, the area | region where the primary particle has not reached increases, and the conversion rate of the nuclide averaged by the target 23 will fall.

この一次粒子による核変換により、ターゲット23に含まれるLLFPを消滅させると同時に、多くの新たな核種を生成する。
さらに、この一次粒子による核反応に伴って、陽子、中性子、軽粒子等といった二次粒子を生成する。この二次粒子のうち、高エネルギーの陽子及び中性子は、再びターゲットの内部を通過し、新たな核反応を誘起する。
By the nuclear conversion by the primary particles, LLFP contained in the target 23 is extinguished and at the same time, many new nuclides are generated.
Furthermore, secondary particles such as protons, neutrons, and light particles are generated along with the nuclear reaction by the primary particles. Among these secondary particles, high-energy protons and neutrons pass through the target again to induce a new nuclear reaction.

図5のグラフは、ターゲットの内部におけるLLFP核種(135Cs,107Pd,93Zr,79Se,126Sn)の中性子フラックス分布を示している。図6のグラフは、LLFP核種(135Cs,107Pd,93Zr,79Se,126Sn)における(n,γ)反応及び(n,2n)反応の反応断面積を示している。
図5におけるそれぞれの核種の中性子フラックス分布のピークが、0.2〜2.0MeVの範囲に存在することを鑑みると、図6からこれら核種の核変換の反応チャンネルは、(n,γ)反応(Capture)であることが分かる。さらに、この(n,γ)反応における反応断面積(Cross Section)の値は、核種の間で大きく相違している。
荷電粒子ビーム15がターゲット23に入射して生成した二次粒子のうち中性子が、新たに誘起する核反応は、Pd>Se>Cs>Zr>Snの順番で、高頻度になる。
The graph of FIG. 5 shows the neutron flux distribution of LLFP nuclides ( 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se, 126 Sn) inside the target. The graph of FIG. 6 shows reaction cross sections of the (n, γ) reaction and the (n, 2n) reaction in the LLFP nuclide ( 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se, 126 Sn).
In view of the fact that the peak of the neutron flux distribution of each nuclide in FIG. 5 is in the range of 0.2 to 2.0 MeV, the reaction channel of nuclear conversion of these nuclides is (n, γ) reaction from FIG. (Capture). Furthermore, the value of the reaction section (Cross Section) in this (n, γ) reaction is greatly different among nuclides.
Among the secondary particles generated when the charged particle beam 15 is incident on the target 23, the nuclear reaction newly induced by neutrons is frequently performed in the order of Pd>Se>Cs>Zr> Sn.

このように、ターゲットに荷電粒子ビーム15が入射した場合、ターゲットの内部において複雑な核反応を誘起ことが知られている。
このような、複雑な核反応を解析する数値シミュレーションコード14としてPHITS(Particle and Heavy Ion Transport code System)を用いる。
Thus, it is known that when the charged particle beam 15 is incident on the target, a complicated nuclear reaction is induced inside the target.
As such a numerical simulation code 14 for analyzing a complicated nuclear reaction, PHITS (Particle and Heavy Ion Transport code System) is used.

PHITSとは、高度情報科学技術研究機構(RIST)、日本原子力研究開発機構(JAEA)、高エネルギー加速器研究機構(KEK)が中心となって開発した粒子・原子核の輸送をシミュレーションするコードである。
このPHITSは、核子、中間子、光子、電子、原子核等のほぼ全ての粒子の物質中の輸送を扱うことができ、それら粒子が巨視的な体系の中で引き起こす逐次的な核反応、また、荷電粒子の電離過程等を解析することができる。
なお、本発明の核反応を解析するのに採用する数値シミュレーションコード14は、特にPHITSに限定されるものではない。
PHITS is a code that simulates transport of particles and nuclei developed mainly by the Advanced Information Science and Technology Research Organization (RIST), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), and High Energy Accelerator Research Organization (KEK).
This PHITS can handle the transport of almost all particles such as nucleons, mesons, photons, electrons, nuclei, etc. in the material, the sequential nuclear reactions that these particles cause in the macroscopic system, The ionization process of particles can be analyzed.
The numerical simulation code 14 used for analyzing the nuclear reaction of the present invention is not particularly limited to PHITS.

ここで、図1(S26)の工程において、ターゲット23の外径又は第2バルク体22の外径である第2半径R2は、荷電粒子ビーム15の照射する設備(図示略)の大きさで決定される。
そして、図1(S24)の工程において、第1バルク体21の外径又は第2バルク体22の内径である第1半径R1は、ワンショット当たりの荷電粒子により、ターゲット23に含まれるLLFPが、可能な限り多く消滅する観点から設定される。
Here, in the step of FIG. 1 (S <b> 26), the second radius R <b> 2 that is the outer diameter of the target 23 or the outer diameter of the second bulk body 22 is the size of the facility (not shown) irradiated with the charged particle beam 15. It is determined.
In the step of FIG. 1 (S24), the first radius R1 that is the outer diameter of the first bulk body 21 or the inner diameter of the second bulk body 22 is that the LLFP contained in the target 23 is caused by charged particles per one shot. It is set from the viewpoint of disappearing as much as possible.

また同様の観点から、第1バルク体21を構成する第1元素11と第2バルク体22を構成する第2元素12との組み合わせも設定される。
具体的に、この組み合わせは、入射した荷電粒子の飛程の長さ、及び(n,γ)反応における反応断面積値の大きさ等を勘案して決定される。
From the same viewpoint, a combination of the first element 11 constituting the first bulk body 21 and the second element 12 constituting the second bulk body 22 is also set.
Specifically, this combination is determined in consideration of the range of the incident charged particle range, the size of the reaction cross section in the (n, γ) reaction, and the like.

図7から図10は、R2=15cmで固定、R1=0〜15cmの範囲で可変、とした寸法のターゲット23において、ワンショット当たりの荷電粒子(1GeVのプロトン)が消滅させるLLFPの粒子数を表している。
なお、図7から図10のターゲット23の長さサイズLは、第1バルク体21に採用された核種の飛程に対応させて、それぞれL=300cm,80cm,110cm、330cmに設定している。また、偶奇濃縮の処理を行って作成したターゲット23による結果を示している。
FIG. 7 to FIG. 10 show the number of LLFP particles in which charged particles (one GeV proton) per one shot are extinguished in the target 23 having a size of R2 = 15 cm fixed and R1 = 0 to 15 cm variable. Represents.
The length size L of the target 23 in FIGS. 7 to 10 is set to L = 300 cm, 80 cm, 110 cm, and 330 cm, respectively, corresponding to the nuclide range adopted for the first bulk body 21. . Moreover, the result by the target 23 produced by performing the process of even-odd concentration is shown.

そして、図7から図9は、(n,γ)反応断面積値が一番大きいPdを第2バルク体22とし、第1バルク体21としてそれぞれCs,Zr,Seを採用したターゲット23の結果である。
そして、図7及び図10は、入射した荷電粒子の飛程が一番長い(密度の一番小さい)Csを、第1バルク体21とし、第2バルク体22としてそれぞれPd,Zrを採用したターゲット23の結果である。
なお、Snについては、本検討の基礎となる図6に示した反応断面積がZrに近似しており、ZrをSnに置き換えた結果は同等の傾向を示すので、Snを個別に含む検討結果の開示を以降において省略する。
7 to 9 show results of the target 23 in which Pd having the largest (n, γ) reaction cross-sectional area value is used as the second bulk body 22 and Cs, Zr, and Se are used as the first bulk body 21, respectively. It is.
7 and 10, Cs having the longest range (the smallest density) of the incident charged particles is used as the first bulk body 21, and Pd and Zr are used as the second bulk body 22, respectively. This is a result of the target 23.
For Sn, the reaction cross section shown in FIG. 6 which is the basis of this study is close to Zr, and the results of replacing Zr with Sn show the same tendency, so the results of study including Sn individually Will be omitted hereinafter.

ここで、R1=15cmのときのLLFP核種の消滅数は、第1元素11のみで単独構成されたターゲット23による結果に対応する。
また、R1=0cmのときのLLFP核種の消滅数は、第2元素12のみで単独構成されたターゲット23による結果に対応する。
Here, the number of annihilation of LLFP nuclides when R1 = 15 cm corresponds to the result of the target 23 composed solely of the first element 11.
In addition, the number of LLFP nuclides annihilated when R1 = 0 cm corresponds to the result of the target 23 composed solely of the second element 12.

図7から図9のグラフにおいて、R1=0cmのときよりも消滅数が大きくなるR1の範囲は、ターゲット23が一種類の核種で単独構成されるよりも、複数の核種で複合化して構成されることの効果が顕著に表れる範囲といえる。
また図7から図10のグラフにおいて、R1=0cmのときのLLFPの粒子の消滅数と及びR1=15cmのときの消滅数との加算平均値にラインがひかれている。
この加算平均値よりも消滅数が大きくなるR1の範囲も、ターゲット23が一種類の核種で単独構成されるよりも、複数の核種で複合化して構成されることの効果が表れる範囲といえる。
In the graphs of FIG. 7 to FIG. 9, the range of R1 where the number of annihilation is larger than when R1 = 0 cm is formed by combining a plurality of nuclides rather than the target 23 being constituted by one kind of nuclides. It can be said that this is a range in which the effect of this is noticeable.
Further, in the graphs of FIGS. 7 to 10, a line is drawn on the addition average value of the number of disappearances of the LLFP when R1 = 0 cm and the number of disappearances when R1 = 15 cm.
The range of R1 in which the number of annihilation is larger than the average value can also be said to be a range in which the effect of being composed of a plurality of nuclides is shown rather than the target 23 being composed of one kind of nuclides.

つまり、荷電粒子ビーム15がターゲット23に入射すると、この入射方向に沿って一次粒子が内部通過する過程で、全方位に二次粒子が放出される。
一次粒子に比べて核変換に対する二次粒子の寄与度が低いLLFP核種においては、発生した二次粒子は、有効利用されることなくターゲットの外部に排出されてしまう。
そこで、そのようなLLFP核種を含む第1バルク体21を中心に据えて、その周囲に核変換に対する二次粒子の寄与度が高いLLFP核種を含む第2バルク体22を配置する。このようにターゲット23を複合化することにより、二次粒子を有効利用し、ワンショット当たりの荷電粒子が消滅させるLLFP核種の数を増やすことができる。
That is, when the charged particle beam 15 is incident on the target 23, secondary particles are emitted in all directions in a process in which the primary particles internally pass along the incident direction.
In the LLFP nuclide in which the contribution of the secondary particles to the transmutation is lower than that of the primary particles, the generated secondary particles are discharged outside the target without being effectively used.
Therefore, the second bulk body 22 including the LLFP nuclide having a high degree of contribution of secondary particles to the nuclear transformation is disposed around the first bulk body 21 including the LLFP nuclide. By combining the target 23 in this way, it is possible to effectively use secondary particles and increase the number of LLFP nuclides in which charged particles per one shot disappear.

図1(S25)(S27)(S28)の工程は、ターゲット23を作製する工程である。
このターゲット23における第1バルク体21及び第2バルク体22の組み合わせ、並びに第1半径R1は、図4に示されるCs,Pd,Zr,Se,Snの在庫比率、及び図7〜図10に例示されるLLFP核種の消滅数を考慮しつつ、決定される。
なお、本実施形態において、第1バルク体21の周囲に配置される第2バルク体22は、中空円筒形状のものが例示されている。しかし、第2バルク体22の形態に特に限定はなく、複数に分離したものを第1バルク体の周囲に配置する場合も含まれる。
(S21)〜(S28)の工程は、放射性廃棄物10の在庫が無くなるまで、続けられる。
1 (S25), (S27), and (S28) are steps for manufacturing the target 23.
The combination of the first bulk body 21 and the second bulk body 22 and the first radius R1 in the target 23 are the inventory ratio of Cs, Pd, Zr, Se, and Sn shown in FIG. It is determined in consideration of the number of annihilation of the exemplified LLFP nuclides.
In the present embodiment, the second bulk body 22 disposed around the first bulk body 21 is illustrated as having a hollow cylindrical shape. However, the form of the second bulk body 22 is not particularly limited, and includes a case where a plurality of separated parts are arranged around the first bulk body.
The steps (S21) to (S28) are continued until the radioactive waste 10 is out of stock.

図1(S29)〜(S31)の工程は、作製したターゲット23に荷電粒子ビーム15を照射する工程である。以下において、適用する荷電粒子ビーム15の仕様について考察する。
荷電粒子ビーム15を照射して仮想ターゲットに含まれるLLFP核種を核変換する場合、次式(1)〜(4)の関係が導かれる。
ΔN(t)/Δt=−Φ・σ・N(t) (1)
N(t)=N0exp(−Φ・σ・t) (2)
1/2=ln(2)/(Φ・σ) (3)
h=φ・σ・ρ・V (4)
ρ:仮想ターゲットの粒子密度
V:仮想ターゲットの体積
σ:核変換の有効断面積
0(=ρ・V):時刻t=0において仮想ターゲットに含まれるLLFP核種の数
N(t):時刻tにおいて仮想ターゲットに含まれるLLFP核種の数
1/2:N0から1/2N0に減少するまでかかる時間(半減期)
h:ワンショット当たりの荷電粒子が変換させるLLFP核種の数
φ:ワンショット当たりの荷電粒子から発生し核反応に寄与する一次粒子や二次粒子(中性子)の量
Φ(=φ×ビーム電流値):ビームの入射により発生し核反応に寄与する一次粒子や二次粒子(中性子)のフラックス(単位時間当たりの流量)
The steps of FIG. 1 (S29) to (S31) are steps of irradiating the manufactured target 23 with the charged particle beam 15. Hereinafter, the specification of the charged particle beam 15 to be applied will be considered.
When irradiating the charged particle beam 15 and transmutating the LLFP nuclides contained in the virtual target, the following relationships (1) to (4) are derived.
ΔN (t) / Δt = −Φ · σ · N (t) (1)
N (t) = N 0 exp (−Φ · σ · t) (2)
T 1/2 = ln (2) / (Φ · σ) (3)
h = φ ・ σ ・ ρ ・ V (4)
ρ: virtual target particle density V: virtual target volume σ: effective cross-sectional area of transmutation N 0 (= ρ · V): number of LLFP nuclides included in virtual target at time t = 0 N (t): time Number of LLFP nuclides contained in the virtual target at t T 1/2 : Time taken to decrease from N 0 to 1 / 2N 0 (half-life)
h: Number of LLFP nuclides converted by charged particles per shot φ: Amount of primary particles and secondary particles (neutrons) generated from charged particles per shot and contributing to nuclear reactions Φ (= φ x beam current value ): Flux of primary particles and secondary particles (neutrons) generated by beam incidence and contributing to the nuclear reaction (flow rate per unit time)

図11のグラフは、荷電粒子ビーム15をプロトンビームとし、横軸にこのプロトンビームのエネルギーE(MeV)をとり、縦軸に1個のLLFP核種を変換させるのに必要な変換エネルギーE/h(MeV)をとり、同位体抽出された135Cs,107Pd,93Zr,79SeのLLFP核種の各々により仮想ターゲットを構成した場合について表したものである。
図11のグラフは、縦軸が小さい値を示す横軸のエネルギー範囲の荷電粒子ビームが適用されることにより、LLFP核種が少ないエネルギーで効率的に変換されることを表している。
In the graph of FIG. 11, the charged particle beam 15 is a proton beam, the energy E (MeV) of this proton beam is taken on the horizontal axis, and the conversion energy E / h required to convert one LLFP nuclide on the vertical axis. (MeV) is taken to represent the case where a virtual target is constituted by each of the LLFP nuclides of 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, and 79 Se extracted with isotopes.
The graph of FIG. 11 shows that LLFP nuclides are efficiently converted with less energy by applying a charged particle beam in the energy range of the horizontal axis where the vertical axis shows a small value.

なお仮想ターゲットの形状は、次のように設定している。長さサイズは、構成核種の飛程の1.1倍に設定している。円形断面の半径サイズは、200mAの荷電粒子ビーム15を照射して、数式(3)の半減期が3年となるように、設定されている。
なお、このように形状設定した仮想ターゲットにおいて、その質量が300kgを超えて現実性が乏しいものについては、グラフ中、白抜のマークで示している。
The shape of the virtual target is set as follows. The length size is set to 1.1 times the range of the constituent nuclides. The radius size of the circular section is set so that the charged particle beam 15 of 200 mA is irradiated and the half-life of the formula (3) is 3 years.
In the virtual target set in this way, those whose mass exceeds 300 kg and are not realistic are indicated by white marks in the graph.

図12〜図15のグラフは、仮想ターゲットを構成するLLFP核種を135Cs,107Pd,93Zr,79Seとし、荷電粒子ビーム15を陽子(プロトン)、重陽子(ジュウテロン)、炭素とし、荷電粒子ビーム15の核子当たりのエネルギーに対する変換エネルギーをLLFP核種ごとに表したものである。
なお、仮想ターゲットの長さサイズに関して、荷電粒子ビーム15が陽子と重陽子の場合は図11と同じ(飛程の1.1倍)であるが、炭素の場合は、二次中性子の効果を考慮して、Pdは飛程の2.0倍とし、その他のCs,Zr,Seは飛程の1.5倍に設定している。
The graphs of FIGS. 12 to 15 show that the LLFP nuclides constituting the virtual target are 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, 79 Se, the charged particle beam 15 is proton (proton), deuteron (deuteron), and carbon. The conversion energy with respect to the energy per nucleon of the particle beam 15 is expressed for each LLFP nuclide.
In addition, regarding the length size of the virtual target, when the charged particle beam 15 is proton and deuteron, it is the same as FIG. 11 (1.1 times the range), but in the case of carbon, the effect of secondary neutrons is obtained. In consideration, Pd is set to 2.0 times the range, and other Cs, Zr, and Se are set to 1.5 times the range.

図11〜図15のグラフより、陽子、重陽子、炭素のいずれにおいても荷電粒子ビーム15の核子当たりのエネルギー値13が0.5〜1.5GeVの範囲、好ましくは0.5〜1.0GeVの範囲であることが、変換エネルギーが小さくLLFP核種の変換が高効率となる結果が得られている。
さらに、荷電粒子ビーム15としてプロトンビームを採用することが、ターゲットのサイズを小さくすることができるといった結果が得られている。
From the graphs of FIGS. 11 to 15, the energy value 13 per nucleon of the charged particle beam 15 is in the range of 0.5 to 1.5 GeV, preferably 0.5 to 1.0 GeV in any of protons, deuterons, and carbon. In the range, the conversion energy is small and the conversion of LLFP nuclides is highly efficient.
Further, it has been obtained that the use of a proton beam as the charged particle beam 15 can reduce the size of the target.

図1(S29)〜(S31)の工程において、荷電粒子ビーム15を設定時間だけ照射することにより、ターゲット23に含まれるLLFP核種が、所定の割合で消滅する。
そして、ビーム照射の終了したターゲット23は次の工程に搬送され(S32)、交換された新たなターゲット23に対し、ビーム照射が再開される(S33)。
なお、(S29)〜(S33)の工程は、作製したターゲット23の在庫が無くなるまで、続けられる。
In the steps of FIGS. 1 (S29) to (S31), the charged particle beam 15 is irradiated for a set time, whereby the LLFP nuclides contained in the target 23 disappear at a predetermined rate.
Then, the target 23 that has been subjected to the beam irradiation is transported to the next step (S32), and the beam irradiation is resumed for the new target 23 that has been replaced (S33).
Note that the steps (S29) to (S33) are continued until the manufactured target 23 is out of stock.

以上において実施形態に係る長寿命核分裂生成物の処理方法の一連の流れを説明した。
次に、図1(S21)において、LLFP核種を含む元素分離のみを実施した場合、さらに偶奇濃縮を実施した場合、さらにLLFP核種のみを抽出する同位体抽出をした場合に分けて、ビーム照射によるLLFP核種の消滅効果について解析する。
In the above, the series of flow of the processing method of the long-lived fission product which concerns on embodiment was demonstrated.
Next, in FIG. 1 (S21), when only element separation including LLFP nuclides is performed, even odd-even enrichment is performed, and isotope extraction is performed to extract only LLFP nuclides. The annihilation effect of LLFP nuclides is analyzed.

図16から図27のグラフは、135Cs,107Pd,93Zr,79Seについて、それぞれ元素分離、偶奇濃縮、同位体抽出によりターゲットを作製し、1.0GeVのプロトンビームを照射した場合の、ワンショット当たりの荷電粒子により変換及び生成する核種の数量分布を示している。
なお元素分離、及び偶奇濃縮における同位体組成のデータは、一般的な使用済核燃料における同位体組成のデータを用いている。
The graphs from FIG. 16 to FIG. 27 show the case where 135 Cs, 107 Pd, 93 Zr, and 79 Se are respectively prepared by element separation, even-odd concentration, and isotope extraction, and irradiated with a proton beam of 1.0 GeV. It shows the quantity distribution of nuclides converted and generated by charged particles per shot.
In addition, the data of the isotope composition in element separation and even-odd enrichment uses the data of the isotope composition in the general spent nuclear fuel.

図16から図27のグラフにおいて、数量分布は、陽子入射反応(proton)、(n,γ)反応、(n,2n)反応、その他の中性子反応(neutron other)の4つの反応チャンネルに分類されている。
また、縦軸の0を基点として、ワンショット当たりの荷電粒子により変換した核種の数量分布を上側に表し、生成した核種の数量分布を下側に表している。
したがって、上側の変換数から下側の生成数を差し引いた値が、対応する核種の消滅数に相当する。
In the graphs of FIG. 16 to FIG. 27, the quantity distribution is classified into four reaction channels: proton incident reaction (proton), (n, γ) reaction, (n, 2n) reaction, and other neutron reactions. ing.
Further, with the vertical axis of 0 as the base point, the nuclide quantity distribution converted by charged particles per shot is shown on the upper side, and the generated nuclide quantity distribution is shown on the lower side.
Therefore, a value obtained by subtracting the lower generation number from the upper conversion number corresponds to the corresponding nuclide disappearance number.

図16から図18のグラフよりCs−135は、使用済燃料組成で元素分離したときの消滅数が0.226と低く、偶奇濃縮をしたとしても0.229とほとんど変わらない。この理由は、使用済燃料組成においてほとんど偶数の同位体が含まれていないことによる。またCs−135は、同位体抽出を行っても消滅率が2.36止まりで、これは他のLLFP核種の中最も低い。その理由は、密度が最も低いことと、(n,γ)の断面積が小さいことによると考えられる。   From the graphs of FIGS. 16 to 18, Cs-135 has a low annihilation number of 0.226 when elemental separation is performed with the spent fuel composition, and even if it is even-odd enrichment, it hardly changes to 0.229. This is due to the fact that almost even isotopes are not contained in the spent fuel composition. Cs-135 has a annihilation rate of only 2.36 even after isotope extraction, which is the lowest among other LLFP nuclides. The reason is considered to be that the density is the lowest and the cross-sectional area of (n, γ) is small.

図19から図21のグラフよりPd−107は、使用済燃料組成で元素分離したときの消滅数が0.916、偶奇濃縮をすると2.94と約3.2倍となり、偶奇濃縮の影響が大きい。さらに、Pd−107は、同位体抽出を行うと消滅率が8.52となり、これは他のLLFP核種の中最も高い。その理由は、密度が最も高いことと、(n,γ)の断面積が大きいことによると考えられる。   From the graphs of FIG. 19 to FIG. 21, Pd-107 has an extinction number of 0.916 when elemental separation is performed with the spent fuel composition. large. Furthermore, Pd-107 has an extinction rate of 8.52 when isotope extraction is performed, which is the highest among other LLFP nuclides. The reason is considered to be that the density is the highest and the cross-sectional area of (n, γ) is large.

図22から図24のグラフよりZr−93は、使用済燃料組成で元素分離したときの消滅数が0.501、偶奇濃縮をすると1.87と約3.7倍となり、偶奇濃縮の影響が大きい。さらに、Zr−93は、同位体抽出を行うと消滅率が3.5となる。
図25から図27のグラフよりSe−79は、使用済燃料組成で元素分離したときの消滅数が0.072でこれは、生成数と変換数がほぼ同数であることを示している。そして、偶奇濃縮をすると2.74ととなり、偶奇濃縮が必須であることが分かる。さらに、Se−79は、同位体抽出を行うと消滅率が3.2となる。
From the graphs of FIGS. 22 to 24, Zr-93 has an extinction number of 0.501 when elemental separation is performed with the spent fuel composition. large. Furthermore, Zr-93 has an extinction rate of 3.5 when isotope extraction is performed.
From the graphs of FIG. 25 to FIG. 27, Se-79 has an extinction number of 0.072 when the elements are separated by the spent fuel composition, which indicates that the number of generations and the number of conversions are almost the same. And even-even concentration becomes 2.74, and it turns out that even-odd concentration is essential. Further, Se-79 has an extinction rate of 3.2 when isotope extraction is performed.

図28は、複合ターゲット23と単独ターゲットとを、それぞれ元素分離、偶奇濃縮、同位体抽出により作製し、1.0GeVのプロトンをワンショット入射させた際のLLFP核種の消滅数を求めたテーブルである。
ここで複合ターゲット23は、図2に示す組み合わせでR1=5cm、R2=15cmに設定されている。また、単独ターゲットは、この複合ターゲット23を構成する第1バルク体21及び第2バルク体22と体積が同じになるように外径が設定されている。
図28における複合ターゲットの合計欄は、プロトンによるワンショット分のLLFP核種の消滅数が示されている。一方、単独ターゲットの合計欄は、二種類の単独ターゲットのそれぞれに入射させたプロトンによるツーショット分のLLFP核種の消滅数の加算平均が示されている。
FIG. 28 is a table in which the composite target 23 and the single target are prepared by elemental separation, even-odd concentration, and isotope extraction, respectively, and the number of LLFP nuclides annihilated when a 1.0 GeV proton is incident on one shot is obtained. is there.
Here, the composite target 23 is set to R1 = 5 cm and R2 = 15 cm in the combination shown in FIG. The single target has an outer diameter that is the same volume as the first bulk body 21 and the second bulk body 22 constituting the composite target 23.
The total column of the composite target in FIG. 28 shows the number of annihilation of LLFP nuclides for one shot by protons. On the other hand, the total column of single targets shows the addition average of the number of annihilation numbers of LLFP nuclides for two shots by protons incident on each of the two types of single targets.

図28によれば、単独ターゲットから複合ターゲットにしたことによるLLFP核種の消滅数は、元素分離において、Cs−Pdの組み合わせで2.8倍、Zr−Pdの組み合わせで1.6倍、Se−Pdの組み合わせで1.6倍、Cs−Zrの組み合わせで1.3倍、という効率化が図れる結果が得られた。
同様に、偶奇濃縮において、Cs−Pdの組み合わせで1.9倍、Zr−Pdの組み合わせで1.6倍、Se−Pdの組み合わせで1.7倍、Cs−Zrの組み合わせで1.3倍、という効率化が図れる結果が得られた。
同様に、同位体抽出において、Cs−Pdの組み合わせで1.8倍、Zr−Pdの組み合わせで1.5倍、Se−Pdの組み合わせで1.5倍、Cs−Zrの組み合わせで1.4倍、という効率化が図れる結果が得られた。
According to FIG. 28, the number of LLFP nuclides annihilated by changing from a single target to a composite target is 2.8 times for the combination of Cs-Pd, 1.6 times for the combination of Zr-Pd, Se- As a result, it was possible to increase the efficiency by 1.6 times with the combination of Pd and 1.3 times with the combination of Cs-Zr.
Similarly, in even-odd enrichment, Cs-Pd combination is 1.9 times, Zr-Pd combination is 1.6 times, Se-Pd combination is 1.7 times, and Cs-Zr combination is 1.3 times. As a result, the efficiency was improved.
Similarly, in the isotope extraction, the Cs-Pd combination is 1.8 times, the Zr-Pd combination is 1.5 times, the Se-Pd combination is 1.5 times, and the Cs-Zr combination is 1.4 times. The result was that the efficiency was doubled.

以上述べた少なくともひとつの実施形態の放射性廃棄物の処理方法によれば、LLFP核種を含む元素を少なくとも二種類以上抽出し、荷電粒子ビームを入射させるターゲットを二重円筒状に構成することにより安定核種への変換処理を効率化させることができる。   According to the radioactive waste processing method of at least one embodiment described above, at least two types of elements including LLFP nuclides are extracted, and a target on which a charged particle beam is incident is configured in a double cylindrical shape. The conversion process to the nuclide can be made efficient.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…放射性廃棄物、11…第1元素、12…第2元素、13…ビーム性能値、14…数値シミュレーションコード、15…荷電粒子ビーム、16…入射軸、21…第1バルク体、22…第2バルク体、23…ターゲット、R1…第1半径R、R2…第2半径R、L…長さサイズ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Radioactive waste, 11 ... 1st element, 12 ... 2nd element, 13 ... Beam performance value, 14 ... Numerical simulation code, 15 ... Charged particle beam, 16 ... Incident axis, 21 ... 1st bulk body, 22 ... 2nd bulk body, 23 ... target, R1 ... 1st radius R, R2 ... 2nd radius R, L ... length size.

Claims (7)

放射性廃棄物から、セシウム(Cs)、ジルコニウム(Zr)、セレン(Se)、スズ(Sn)及びパラジウム(Pd)のうち少なくとも二種類の元素(第1元素及び第2元素)を、同じ原子番号を有し質量数の異なる同位体元素の群として、個別に分離抽出するステップと、
前記第1元素で構成した仮想的なターゲットに、所定の性能値の荷電粒子ビームが、入射した場合の飛程データを取得するステップと、
前記荷電粒子ビームの入射軸に沿う方向の長さサイズが前記飛程データの1.0倍から2.0倍の範囲にある第1バルク体を、前記第1元素により作成するステップと、
前記入射軸が回転対称軸となるように前記第1バルク体の周囲に配置される第2バルク体を、前記第2元素により作成するステップと、
前記性能値のうち核子当たりのエネルギー値が0.5〜1.5GeVの範囲内である荷電粒子ビームを、前記第1バルク体及び前記第2バルク体を複合化させたターゲットに、前記入射軸に沿って照射させるステップと、を含むことを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。
At least two kinds of elements (first element and second element) among cesium (Cs), zirconium (Zr), selenium (Se), tin (Sn) and palladium (Pd) from the radioactive waste, the same atomic number And separately separating and extracting as a group of isotope elements having different mass numbers ,
Obtaining range data when a charged particle beam having a predetermined performance value is incident on a virtual target composed of the first element;
Creating a first bulk body with the first element having a length size in a direction along the incident axis of the charged particle beam in a range of 1.0 to 2.0 times the range data;
Creating a second bulk body with the second element disposed around the first bulk body so that the incident axis is a rotationally symmetric axis;
A charged particle beam having an energy value per nucleon within a range of 0.5 to 1.5 GeV among the performance values is applied to the target obtained by combining the first bulk body and the second bulk body with the incident axis. And a step of irradiating along a long-lived fission product.
請求項1に記載の長寿命核分裂生成物の処理方法において、
前記第1元素及び前記第2元素のうち少なくとも一方は、前記分離抽出がなされた後にさらに中性子の数に基づく核種の偶奇濃縮がなされ、長寿命核分裂生成物の濃度が高められていることを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。
The method for treating a long-lived fission product according to claim 1,
At least one of the first element and the second element is subjected to the even-odd enrichment of nuclides based on the number of neutrons after the separation and extraction, and the concentration of the long-lived fission product is increased. A method for treating long-lived fission products.
請求項1又は請求項2に記載の長寿命核分裂生成物の処理方法において、
前記第1元素は、セシウム(Cs)であることを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。
In the method of processing a long-lived fission product according to claim 1 or claim 2,
The method of treating a long-lived fission product, wherein the first element is cesium (Cs).
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の長寿命核分裂生成物の処理方法において、
前記第2元素は、パラジウム(Pd)であることを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。
In the processing method of the long-lived fission product according to any one of claims 1 to 3,
The method for treating a long-lived fission product, wherein the second element is palladium (Pd).
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の長寿命核分裂生成物の処理方法において、
前記荷電粒子ビームは、プロトンビームであることを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。
In the processing method of the long-lived fission product according to any one of claims 1 to 4,
The method for treating a long-lived fission product, wherein the charged particle beam is a proton beam.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の長寿命核分裂生成物の処理方法において、  In the processing method of the long-lived fission product according to any one of claims 1 to 4,
前記荷電粒子ビームは、ジュウテロンビームであることを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。  The method for treating a long-lived fission product, wherein the charged particle beam is a deuteron beam.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の長寿命核分裂生成物の処理方法において、  In the processing method of the long-lived fission product according to any one of claims 1 to 4,
前記荷電粒子ビームは、炭素ビームであることを特徴とする長寿命核分裂生成物の処理方法。  The method for treating a long-lived fission product, wherein the charged particle beam is a carbon beam.
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