WO2014021285A1 - 核燃料製造装置及び核燃料製造方法 - Google Patents

核燃料製造装置及び核燃料製造方法 Download PDF

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WO2014021285A1
WO2014021285A1 PCT/JP2013/070528 JP2013070528W WO2014021285A1 WO 2014021285 A1 WO2014021285 A1 WO 2014021285A1 JP 2013070528 W JP2013070528 W JP 2013070528W WO 2014021285 A1 WO2014021285 A1 WO 2014021285A1
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WO
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thorium
charged particle
nuclear fuel
neutron
electrode tube
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Application number
PCT/JP2013/070528
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English (en)
French (fr)
Inventor
亀井敬史
古久保雄二
Original Assignee
株式会社Ｑｕａｎ Ｊａｐａｎ
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
    • G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
    • G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
    • G21G1/06—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators by neutron irradiation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
    • H05H5/02—Details
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a nuclear fuel production apparatus and a nuclear fuel production method for producing nuclear fuel whose main raw material is thorium.
  • the thorium-uranium fuel cycle has abundant natural thorium reserves compared to natural uranium, and the amount of minor actinides produced is small, so the management period of high-level radioactive waste can be shortened. There are many advantages. However, natural thorium does not contain a fissile material as a neutron source, and cannot be used as nuclear fuel as it is. That is, in order to obtain nuclear fuel for the thorium-uranium fuel cycle, it is necessary to add a fissile material to thorium.
  • Non-Patent Document 1 discloses that uranium 233 is produced in order to start a thorium molten salt furnace operated in a thorium-uranium fuel cycle.
  • the produced uranium 233 is mixed with thorium 232 powder or the like by a machine.
  • the mixing may not be performed uniformly.
  • the content of the fissile material could not be adjusted for each nuclear fuel site (for example, the content of a certain part is 2% and the content of other parts is 0.5% or less).
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and a main object thereof is to provide a nuclear fuel production apparatus and a nuclear fuel production method capable of solving the above-described problems.
  • a nuclear fuel manufacturing apparatus includes a neutron generation source that emits neutrons to a thorium assembly, and the neutrons emitted from the neutron generation source are collected in the assembly.
  • the thorium 232 is changed to uranium 233.
  • the neutron generation source includes a charged particle generation source that emits charged particles, a charged particle accelerator that accelerates charged particles emitted from the charged particle generation source, and a charged particle accelerated by the charged particle accelerator. And a neutron generator that emits neutrons when they collide.
  • the charged particle accelerator includes a pair of electrodes that are spaced apart from each other along a traveling trajectory of the charged particles emitted from the charged particle generation source, and a DC voltage is applied to the pair of electrodes.
  • a DC power source for applying, a switch for forming an electric field in the space by connecting or disconnecting the DC power source and one of the pair of electrodes, and charging from the charged particle generation source.
  • a control unit configured to form an electric field in the space for accelerating the charged particles by performing on / off control of the switch after the particles are ejected.
  • the charged particle accelerator is connected to the switch, and when the switch is switched from off to on or from on to off, the strength of the electric field formed in the space is changed according to time.
  • the control unit further includes a response delay generation unit for increasing, and the control unit is configured to change the intensity of the electric field formed in the space over time while the charged particles emitted from the charged particle generation source pass through the space.
  • the switch may be configured to be turned on / off so as to increase.
  • the charged particle accelerator further includes a plurality of electrode tubes arranged at a distance from each other along a traveling trajectory of the charged particles emitted from the charged particle generation source, It is comprised so that the voltage for applying to the said electrode pipe
  • the charged particle accelerator may have a charged particle output intensity of 10 kW or more and 200 kW or less.
  • the charged particle generation source is configured to emit a plurality of charged particles to each of a plurality of different traveling trajectories, and the electrode tube follows each of the plurality of traveling trajectories. And in order that the charged particles emitted by the charged particle generation source pass through the electrode tube group composed of a plurality of electrode tubes corresponding to each of the plurality of traveling trajectories.
  • a plurality of stages, and the nuclear fuel production apparatus connects the DC power source and the one-stage electrode tube group, thereby connecting the one-stage electrode tube group and the one-stage electrode pipe group.
  • An electric field for accelerating charged particles may be formed in a space between the group and another group of adjacent electrode tubes.
  • the charged particle accelerator may have a charged particle output intensity per traveling orbit of 10 kW or more and 200 kW or less.
  • the nuclear fuel production apparatus may further include a holding unit for holding a thorium aggregate to be irradiated with neutrons.
  • the holding unit is made of a neutron reflector that reflects neutrons, holds the thorium aggregate so as to surround the thorium aggregate, and the neutron generation source irradiates the thorium aggregate.
  • an opening may be provided in a portion facing the neutron generation source.
  • the holding section may be configured by a neutron multiplier that multiplies neutrons, and may be configured to be able to hold the aggregate of thorium.
  • the holding part may have an effective neutron multiplication factor of 0.95 or less.
  • the holding unit is configured to hold a container that contains a liquid thorium aggregate, and may include a stirring unit for stirring the aggregate.
  • the nuclear fuel production apparatus may be configured to irradiate neutrons from the neutron generation source to an aggregate of thorium composed of a plurality of blocks configured to be exchangeable with each other. Good.
  • neutrons are emitted from a neutron generation source to a thorium assembly, and the neutrons emitted from the neutron generation source collide with thorium 232 included in the assembly. As a result, the thorium 232 is changed to uranium 233.
  • the neutron generation source includes a charged particle generation source, a charged particle accelerator, and a neutron generation unit
  • the nuclear fuel manufacturing method emits charged particles from the charged particle generation source, A step of accelerating charged particles emitted from a charged particle generator by a charged particle accelerator, and a step of emitting neutrons from the neutron generator by causing the charged particles accelerated by the charged particle accelerator to collide with a neutron generator And a step of causing neutrons emitted from the neutron generator to collide with an aggregate of thorium.
  • the nuclear fuel production apparatus and the nuclear fuel production method according to the present invention it is possible to adjust the distribution of fissile material when producing nuclear fuel using thorium 232 as a main raw material.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a nuclear fuel production apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a charged particle accelerator according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a part of the configuration of the charged particle accelerator according to the first embodiment.
  • the schematic diagram which shows the circuit for forming an electric field in the gap between an acceleration electrode tube and a dummy electrode tube.
  • the perspective view which shows the structure of a holding
  • FIG. 3 is a flowchart showing a flow of processing of a control unit included in the nuclear fuel production apparatus according to Embodiment 1.
  • the timing chart which shows switching control of a switching element.
  • the graph which shows the time change of the voltage in the gap between an acceleration electrode tube and a dummy electrode tube. The figure for demonstrating on / off control of a switching element.
  • the schematic diagram explaining the principle of the reduction
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a nuclear fuel production apparatus according to a second embodiment.
  • the graph which shows the distribution state of uranium 233 in the thorium nuclear fuel manufactured with the nuclear fuel manufacturing apparatus which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a nuclear fuel production apparatus according to a third embodiment.
  • 10 is a graph showing a distribution state of uranium 233 in thorium nuclear fuel manufactured by the nuclear fuel manufacturing apparatus according to Embodiment 3.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a nuclear fuel production apparatus according to a fourth embodiment. The graph which shows the distribution state of uranium 233 in the thorium nuclear fuel manufactured by the nuclear fuel manufacturing apparatus which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. FIG. 7 is a perspective view showing a schematic configuration of a nuclear fuel production apparatus according to a fifth embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of a charged particle accelerator according to a fifth embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of an acceleration electrode tube included in a charged particle accelerator according to a fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of a holding part of a thorium aggregate according to a sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of a thorium assembly container according to a seventh embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a holding portion of a thorium aggregate according to an eighth embodiment.
  • FIG. 20 is a perspective view showing a part of the configuration of the holding part of the thorium aggregate according to the ninth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a nuclear fuel production apparatus according to the first embodiment.
  • the nuclear fuel manufacturing apparatus 100 according to the embodiment is accelerated by an ion launching unit 101 that launches charged particles, a charged particle accelerator 102 that accelerates charged particles emitted from the ion launching unit 101, and the charged particle accelerator 102.
  • a neutron generator 103 that emits neutrons when charged particles are received.
  • a holding unit 105 that holds a container 104 that stores a thorium lump that is a target of neutron irradiation is provided so as to face the neutron generation unit 103.
  • thorium lump to be irradiated with neutrons is composed of most thorium 232 and a very small amount of thorium isotope.
  • thorium is used when referring to a hybrid of thorium 232 and its isotope
  • thorium 232 is used when referring only to thorium 232.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the charged particle accelerator 102.
  • the charged particle accelerator 102 according to the present embodiment is a linear accelerator. As shown in FIG. 2, the charged particle accelerator 102, an ion firing unit 101 for emitting charged particles, a plurality of accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , ..., and a T 28.
  • the ion launcher 101 is configured to be able to launch an ion beam made of charged particles.
  • the charged particle emission direction of the ion emission unit 101 is referred to as “front”, and the opposite direction of the charged particle emission direction is referred to as “rear”.
  • Acceleration electrode tubes T 1 , T 2 , T 3 ,..., T 28 are arranged in front of the ion launching unit 101.
  • Dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 are provided before and after the accelerating electrode tube T 1 closest to the ion emitter 101, respectively.
  • the acceleration electrode tube T 1 is arranged in a state sandwiched between the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 .
  • Accelerating electrode tubes T 2 , T 3 ,..., T 28 are arranged in order behind the rear dummy electrode tube DT 2 .
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a part of the configuration of the charged particle accelerator according to the first embodiment.
  • the charged particle accelerator 102 includes two high-voltage DC power sources P1 and P2.
  • the output voltage of the high voltage DC power supply P1 is 60 kV
  • the output voltage of the high voltage DC power supply P2 is 20 kV.
  • High-voltage direct-current power source P1 the cathode is connected to the accelerating electrode tube T 1 through the switching element SWR 1.
  • the cathode of the high-voltage DC power supply P1 is connected to the accelerating electrode tube T 2 via the switching element SWR 2, is connected to the accelerating electrode tube T 3 through the switching element SWR 3, similarly the switching elements SWR 4, , SWR 28 is connected to each of acceleration electrode tubes T 4 , T 5 ,..., T 28 via SWR 5 ,.
  • the anode of the high voltage DC power supply P1 is grounded.
  • High-voltage direct-current power source P2 the anode is connected to the accelerating electrode tube T 1 through the switching element SWF 1.
  • the anode of the high voltage DC power source P2 is connected to the accelerating electrode tube T 2 via the switching element SWF 2, is connected to the accelerating electrode tube T 3 through the switching element SWF 3, similarly the switching elements SWF 4, , SWF 28 are connected to acceleration electrode tubes T 4 , T 5 ,..., T 28 via SWF 5 ,.
  • the cathode of the high voltage DC power supply P2 is grounded.
  • Accelerating electrode tube T 1 is has a stray capacitance, one electrode of the capacitor C due to the stray capacitance is connected to the accelerating electrode tube T 1, the other electrode of the capacitor C is grounded.
  • the potential of the accelerating electrode tube T 1 is changed.
  • the circuit including the accelerating electrode tube T 1 , the high-voltage DC power source P 1, and the capacitor C is a first-order lag system. Therefore, after the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, the potential of the accelerating electrode tube T 1 changes with a first-order lag and finally becomes ⁇ 60 kV.
  • the other acceleration electrode tubes T 2 to T 28 have stray capacitances.
  • the switching element SWR n is turned on and the switching element SWF n is turned off, the potential of the acceleration electrode tube T n is- Asymptotically approach 60 kV (n is an integer from 2 to 28).
  • the switching element SWR n is turned off and the switching element SWF n is turned on, the potential of the acceleration electrode tube Tn gradually approaches 20 kV.
  • a gap of a predetermined distance is provided between the accelerating electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 1.
  • this space hereinafter referred to as “gap”
  • GD 1 the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 1 are insulated.
  • a gap GD 2 is also provided between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 2 .
  • the dummy electrode tube DT 2 and the gap G1 is also provided between the accelerating electrode tube T 2, also between the respective mutually accelerating electrode tube T 2 ⁇ T 28 to next, provided the gap G2 ⁇ G27 ing.
  • each of the dummy electrode tube DT 1 and DT 2 is grounded.
  • the gaps GD 1 and GD 2 are provided between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 , when a voltage is applied to the acceleration electrode tube T 1 , the gap An electric field is formed in GD 1 and GD 2 .
  • an electric field is formed in the gap Gn provided between the acceleration electrode tubes Tn and Tn + 1 . This electric field accelerates charged particles passing through the gap.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a circuit for forming an electric field in the gaps GD 1 and GD 2 between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 .
  • the switching element SWR 1 has on-resistances RR 1 and RR 2 . As shown in FIG. 4, the switching element SWR 1 is connected to the rear portion of the acceleration electrode tube T 1 , and the resistor RR 1 , the switching element SWR 1 , and the resistor RR 2 are shown as being connected in series. Further, the resistor RR 2, is connected to the cathode of the high-voltage DC power supply P1, the anode of the high voltage DC power source P1 is grounded.
  • the switching element SWF 1 is connected to the front portion of the acceleration electrode tube T 1 .
  • the switching element SWF 1 has on-resistances RF 1 and RF 2 , and each of the resistance RF 1 , the switching element SWF 1 , and the resistance RF 2 is shown as being connected in series.
  • the resistor RF 2 is connected an anode of the high voltage DC power source P2 is, the cathode of the high-voltage DC power supply P2 is grounded.
  • the accelerating electrode tube T 1 there is a capacitor C as a stray capacitance as described above.
  • one electrode of the capacitor C as the stray capacitance is connected to the acceleration electrode tube T1, and the other electrode of the capacitor C is grounded. Therefore, when the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, the capacitor C, the acceleration electrode tube T 1 , the resistor RR 1 , the switching element SWR 1 , the resistor RR 2 , and the high voltage DC power source P 1 Circuit is formed. Since the circuit is first-order lag system, a negative potential is applied in a first-order lag in accelerating electrode tube T 1.
  • the circuit is also for a first order lag system, a positive potential is applied by the first-order lag in accelerating electrode tube T 1.
  • the charged particle accelerator 102 has a control unit 112 configured by FPGA.
  • the control unit 112 is connected to the switching element SWR 1 and SWF 1, it is possible to drive the switching elements SWR 1 and SWF 1.
  • the control unit 112 is also connected to each of the switching elements SWR 2 to SWR 28 , SWF 2 to SWF 28 , and these switching elements SWR 2 to SWR 28 , SWF 2 to SWF 28 are also connected. Can be driven.
  • the control unit 112 is also connected to the ion launching unit 101 and can control the ion launching unit 101.
  • the neutron generator 103 is made of a material that generates neutrons when charged particles (protons or deuterons) accelerated by a charged particle accelerator collide, such as lithium or beryllium. As shown in FIG. 1, the neutron generator 103 is disposed in front of the charged particle accelerator 102, that is, on the charged particle irradiation side of the charged particle accelerator 102. The charged particles accelerated by the charged particle accelerator 102 are irradiated to the neutron generation unit 103, whereby neutrons are emitted from the neutron generation unit 103.
  • the neutron generator 103 is provided with a cooling unit 103a.
  • the cooling unit 103a is a water-cooled cooling device, and can cool the neutron generating unit 103.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating the configuration of the holding unit 105.
  • the holding unit 105 includes a plurality of cubic blocks 106.
  • Each block 106 is made of acrylic resin.
  • Acrylic resin has the property of reflecting neutrons.
  • the holding unit 105 includes three layers, a first layer 105a, a second layer 105b, and a third layer 105c, from the front.
  • FIG. 6A is a perspective view showing the configuration of the first layer.
  • the first layer 105 a is configured by eight blocks 106. That is, eight blocks are arranged so as to form a square composed of three blocks 106 on one side, thereby forming the first layer 105a. That is, the first layer 105a has a square shape with a missing central portion when viewed from the front.
  • the block 106 is a cube having a side of 25 cm.
  • FIG. 6B is a perspective view showing the configuration of the second layer.
  • the second layer 105 b is also constituted by eight blocks 106. That is, the second layer 105b is configured by arranging eight blocks so as to form a square composed of three blocks 106 on one side.
  • a stainless steel container 104 having the same shape as the block 106 is disposed at the front central portion of the second layer 105b.
  • the container 104 contains thorium to be irradiated with neutrons.
  • thorium aggregate of metal thorium (a cube having a side of about 3 cm) or a thorium dioxide pellet (diameter 8.2 mm, height 13.5 mm) (hereinafter referred to as “thorium aggregate”). ").
  • FIG. 6C is a perspective view showing the configuration of the third layer.
  • the third layer 105 c is configured by nine blocks 106. That is, the third layer 105c is configured by arranging eight blocks so as to form a square composed of three blocks 106 on one side. That is, the third layer 105c has a configuration in which the block 106 is also disposed in the central portion of the first layer 105a described above in a front view.
  • the holding portion 105 is configured by fixing the first layer 105a, the second layer 105b, and the third layer 105c as described above in a continuous state. That is, the holding unit 105 has a cubic shape including three blocks 106 on one side. Further, an opening for one block is provided at the front center of the holding portion 105, and the container 104 is exposed through this opening.
  • the holding unit 105 is disposed in front of the neutron generation source 103 with its opening side (front side) directed toward the neutron generation source 103. For this reason, at least a part of the neutrons emitted from the neutron generation source 103 is irradiated to the thorium aggregate inside the container 104 through the opening.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a process flow of the control unit 112 included in the nuclear fuel production apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the control unit 112 turns on the switching element SWR 1 and turns off the switching element SWF 1 .
  • the switching element SWR 2, SWR 3, SWR 4 , ..., the SWR 28 is turned on, the switching element SWF 2, SWF 3, SWF 4 , ..., to turn off the SWF 28 (step S1).
  • Step S1 When the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, the acceleration electrode tube T 1 and the high voltage DC power source P 1 are connected, and the connection between the acceleration electrode tube T 1 and the high voltage DC power source P 2 is performed. Is cut off. Therefore, the accelerating electrode tube T 1, a negative potential is applied. Further, the processing of Step S1 is executed, a change in potential applied to the accelerating electrode tube T 1 is after the elapse of sufficient time to converge, the process of step S2 is executed. Therefore, the potential of the accelerating electrode tube T 1 becomes -60KV.
  • each potential of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 is set to ⁇ 60 kV.
  • the control unit 112 controls the ion emitting unit 101 to emit an ion beam (step S2).
  • the ion emitting unit 101 emits an ion beam having an ion current value, a diameter, and a length determined by setting.
  • the ion beam emitted from the ion emission unit 101 passes through the dummy electrode tube DT 1 and enters the gap GD 1 .
  • the potential of the dummy electrode tube DT 1 is the ground potential and the potential of the acceleration electrode tube T 1 is ⁇ 60 kV, an electric field is formed in the gap GD 1 .
  • the direction of the electric field is the direction from the dummy electrode tube DT 1 toward the acceleration electrode tube T 1 , that is, the front.
  • the ion beam Since the charged particles contained in the ion beam has a positive charge, the ion beam is accelerated by the electric field while passing through the gap GD 1, it enters the accelerating electrode tube T 1. Since all of the ion beam in the gap GD 1 is subjected to acceleration in equal electric field, it does not work convergence action of the axial direction of the ion beam as described below.
  • step S3 determines whether or not a predetermined switching time has been reached. If it is determined that the switching time has not been reached (NO in step S3), the process of step S3 is performed again. repeat.
  • the switching time is a preset value, the ion beam is emitted, the time until the leading edge of the ion beam reaches the center of the accelerating electrode tube T 1. That is, in step S3, at the time it is determined to have reached the switching time, so that the leading edge of the ion beam is positioned in the center portion of the accelerating electrode tube T 1.
  • step S3 when the switching time has been reached (YES in step S3), control unit 112 turns off switching element SWR 1 and simultaneously turns on switching element SWF 1 (step S4).
  • the accelerating electrode tube T 1 is connected between the high voltage DC power source P1 is cut off, and the acceleration electrode tube T 1 and high-voltage direct-current power source P2 is connected. Therefore, the accelerating electrode tube T 1 is a positive potential is applied.
  • FIG. 8 is a timing chart showing switching control of the switching elements SWR 1 and SWF 1 .
  • the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the on / off state of the switching elements SWR 1 and SWF 1 .
  • t0 is the time at which the ion beam is emitted from the ion firing unit 101
  • t1 is the time to reach the rear end leading edge of the dummy electrode tube DT 1 of the ion beam
  • t2 is the leading edge dummy electrode tube DT ion beam time the time to reach 1 at the front end
  • t3 is the time at which the leading edge of the ion beam reaches the rear end of the accelerating electrode tube T 1
  • t4 is the leading edge of the ion beam reaches the center of the accelerating electrode tube T 1
  • the time t5 is the leading edge of the ion beam the time to reach the front end of the accelerating electrode tube T 1
  • t6 is to reach the rear end leading edge of the
  • ts1 is a period from time t1 to time t2
  • ts2 is a period from time t2 to time t3
  • ts3 is a period from time t3 to time t5
  • ts4 is a period from time t5 to time t6.
  • ts5 indicates a period from time t6 to time t7.
  • the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off.
  • the switching element SWR 1 is switched off, the switching element SWF 1 is switched on.
  • Figure 9 is a graph showing the temporal change of the voltage in the gap GD 1.
  • the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, so that the potential of the acceleration electrode tube T 1 is ⁇ 60 kV.
  • the potential difference in the gap GD 1 is 60 kV.
  • the switching element SWR 1 is switched off and the switching element SWF 1 is switched on, so that the connection between the acceleration electrode tube T 1 and the high-voltage DC power supply P1 is cut off and the acceleration is performed.
  • the electrode tube T 1 and high-voltage direct-current power source P2 is connected.
  • the potential of the accelerating electrode tube T 1 rises.
  • the potential of the acceleration electrode tube T 1 (that is, the gap GD)
  • the potential difference at 1 increases with time.
  • the potential of the dummy electrode tube DT 2 is 0, the potential difference in the gap GD 2 increases with the passage of time.
  • the potential of the accelerating electrode tube T 1 is equal to or more than 0V. That is, the length of the accelerating electrode tube T 1, the length of the gap GD 2, the capacitance of the capacitor C, the resistance value or the like of the resistor RF 1 and RF 2 is generating an electric field that accelerates the ion beam into the gap GD 2 at time t5 And the strength of the electric field is set to be in the middle of a rising process due to a transient phenomenon.
  • the potential difference in the gap GD 2 has not reached the 20 kV.
  • the potential difference in the gap GD 2 will not reach the 20kV, and is set to be 20kV near time t7.
  • an electric field generated in the gap GD 2 monotonically increases in the period ts4 which the ion beam passes through the gap GD 2. If the potential difference is positive in the gap GD 2, the electric field direction in the gap GD 2 coincides with the traveling direction of the ion beam. Therefore, the greater the intensity of the electric field in the gap GD 2, the charged particles are accelerated strongly to the traveling direction. In other words, the charged particles contained in the ion beam, as located behind in the ion beam are accelerated strongly in the advancing direction by the electric field generated in the gap GD 2. Therefore, by ion beam passes through the gap GD 2, the ion beam bunch is condensed in the axial direction is formed.
  • time to pass through the gap GD 2 After the ion beam is located at the center of the accelerating electrode tube T 1, time to pass through the gap GD 2, the length of the accelerating electrode tube T 1, the gap GD 2 sizes, and vary the speed of the ion beam However, it is 5 to 450 nanoseconds. Therefore, while the ion beam passes through the gap GD 2, in order to vary the intensity of the electric field generated in the gap GD 2 in a first-order lag is set in the range of 5 to 450 nanoseconds time constant of the RC circuit It is preferable to do. In this embodiment, the time constant is set as 50 nanoseconds.
  • step S4 by substituting 2 into the variable q (step S5), and then corresponds to the acceleration electrode tube T q entering to determine whether it has reached a predetermined switching time ( If it is determined in step S6) that the switching time has not been reached (NO in step S6), the process in step S6 is repeated again.
  • Corresponding switching times are predetermined for each of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 .
  • Each switching time the ion beam is emitted, the time until the leading edge of the ion beam reaches the center of the accelerating electrode tube T q corresponding to the switching time. That is, when it is determined in step S6 that the switching time has been reached, the leading edge of the ion beam is located at the central portion of the acceleration electrode tube Tq .
  • step S6 when the switching time has been reached (YES in step S6), control unit 112 turns off switching element SWR q and simultaneously turns on switching element SWF q (step S7).
  • the acceleration electrode tube Tq and the high voltage DC power supply P2 are connected, and the connection between the acceleration electrode tube Tq and the high voltage DC power supply P1 is cut off. Therefore, a positive potential is applied to the acceleration electrode tube Tq . Therefore, turn off the switching elements SWR q, and at the same time to turn on the switching element SWF q, the potential of the accelerating electrode tube T q by the influence of the stray capacitance contained in the accelerating electrode tube T q is asymptotic to + 20 kV.
  • the accelerating electrode tube T q + 1 subsequent to the accelerating electrode tube T q is not connected to the high voltage DC power source P2, but is connected to the high voltage DC power source P1.
  • the potential of the acceleration electrode tube Tq + 1 is ⁇ 60 kV. Therefore, the potential difference in the gap G q between the accelerating electrode tube T q and the T q + 1 is 80 kV, the electric field orientation at the gap G q is the direction from the accelerating electrode tube T q to the accelerating electrode tube T q + 1, that is, forward is there. As a result, the ion beam is accelerated by this electric field while passing through the gap Gq .
  • the on-resistance of the acceleration electrode tube T q the switching element SWR q is set to a small value, becomes a very small value of the constant is less than 5 nanoseconds when the primary delay Yes. Therefore, at the time the ion beam passes through the gap G q potential of the accelerating electrode tube T q is almost close to 20 kV. Therefore, it can be said that there is almost no effect that the ion beam is condensed in the axial direction by passing through the gap Gq .
  • control unit 112 determines whether or not the value of the variable q at that time is 28 (step S8). If the value of variable q is not 28 (NO in step S8), control unit 112 increments the value of variable q by 1 (step 9), and returns the process to step S6. As a result, the potentials of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 that were applied to ⁇ 60 kV at the initial operation of the charged particle accelerator 102 are sequentially switched to 20 kV.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining on / off control of the switching elements SWR 2 , SWF 2 , SWR 3 , SWF 3 ,..., SWR 28 , SWF 28 .
  • n represents an integer of 2 to 26.
  • the switching elements SWR n + 1 and SWR n + 2 are turned off (initial state), and the switching elements SWF n + 1 and SWF n + 2 are turned on (initial state).
  • the accelerating electrode tube T n + 1 subsequent to the acceleration electrode tube T n the potential of the accelerating electrode tube T n + 2 has a -60KV. Therefore, the gap G n is a potential difference occurs in the 80 kV, the electric field direction in the gap G n is coincident with the traveling direction of the charged particles. Note that the potential difference of the gap Gn + 1 is 0, and no electric field is generated in the gap Gn + 1 .
  • the charged particles pass through the gap G n and are accelerated by the electric field of the gap G n at this time.
  • the accelerated charged particles enter the next accelerating electrode tube T n + 1 (second row in the figure).
  • the switching element SWR n + 1 is switched on and the switching element SWF n + 1 is switched off.
  • the potential of the acceleration electrode tube Tn + 1 changes to +20 kV.
  • each of the switching elements SWR n + 2 and SWF n + 2 does not change from the initial state. Therefore, the potential of the acceleration electrode tube T n + 2 is ⁇ 60 kV. Therefore, a potential difference occurs in the 80kV to the gap G n + 1, the electric field direction in the gap G n + 1 coincides with the traveling direction of the charged particles.
  • the accelerated charged particles enter the next accelerating electrode tube T n + 2 (fourth row in the figure).
  • the switching element SWR n + 2 is switched on and the switching element SWF n + 2 is switched off. For this reason, the potential of the acceleration electrode tube Tn + 2 changes to +20 kV.
  • the gap G 2, G 3, G 4 , ... the potential difference between G 27 switches to 80kV from 0 sequentially, the gap G 2, G 3, G 4 , ..., by passing through a G 27, charged Particles are accelerated.
  • the ion beam is expanded in the radial direction (direction perpendicular to the axial length direction) by the space charge effect.
  • the electric field generated in each gap GD 1 , GD 2 , G 1 , G 2 ,..., G 27 functions as an electrostatic lens. That is, when the ion beam passes through the gap G n, by an electric field the electrostatic lens effect that occurs in the gap G n, the ion beam is reduced in the radial direction.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the principle of reduction of the ion beam in the radial direction.
  • the potential of the accelerating electrode tube T n is 20 kV, when the potential of the accelerating electrode tube T n + 1 is -60KV, as shown in FIG., An electric field is generated in the gap G n.
  • This electric field functions as an electrostatic convex lens and converges the ion beam passing through the gap Gn in the radial direction.
  • the strength of the ion beam focusing action that is, the focal length of the electrostatic lens varies depending on the strength of the electric field.
  • the strength of the electric field is determined by the magnitude of the potential difference between the acceleration electrode tubes Tn and Tn + 1 and the length of the gap Gn in the axial length direction.
  • the ion beam in the radial direction of the ion beam is prevented from colliding with the inner wall of the acceleration electrode tube.
  • the size can be set appropriately.
  • step 8 when the value of variable q is 28 (YES in step S8), control unit 112 ends the process.
  • the gap GD 1 when the ion beam emitted from the ion firing unit 101 passes through the gap GD 1, an electric field is generated that the gap GD 1 does not change with time.
  • the direction of the electric field coincides with the traveling direction of the ion beam, and the ion beam is accelerated when passing through the electric field.
  • the beam condensing (converging) in the axial direction is not performed.
  • the gap GD 2 is generated the electric field strength increases with time.
  • the direction of the electric field coincides with the traveling direction of the ion beam, and the ion beam is accelerated when passing through the electric field.
  • the ion beam as it passes through the gap GD 2 the temporal change in intensity of the electric field, are condensed in the axial direction.
  • the potential is switched by a switching element having a small on-resistance, so that the time constant is as small as less than 5 nanoseconds and a substantial delay occurs.
  • the potential of the accelerating electrode tube T n is 20 kV. Therefore, when the ion beam passes through the gap G n, it is not to be time varying potential difference at the gap G n. Therefore, when the ion beam passes through the gap Gn , the entire ion beam receives a predetermined acceleration voltage evenly.
  • the charged particle accelerator 102 includes the element that uniformly accelerates the ion beam and the element that condenses the ion beam in the axial length direction. Compatible bunch (charged particle group) formation.
  • the ion beam becomes longer in the axial length direction due to the space charge effect or the like.
  • the leading edge of the ion beam passes through the center position of the front acceleration electrode tube, and the rear end of the ion beam does not come out of the rear acceleration electrode tube.
  • the potential of the front acceleration electrode tube is switched, the potential difference between these two acceleration electrode tubes becomes zero. Therefore, in this case, the front portion of the ion beam is accelerated, but the rear portion is not accelerated.
  • appropriate acceleration cannot be performed.
  • the charged particle accelerator it is necessary to switch the potential of the accelerating electrode tube while the electric lines of force of the ion beam are interrupted, that is, while the entire ion beam is accommodated inside the accelerating electrode (inside the conductor). There is. For this reason, an acceleration electrode tube longer than the length of the ion beam to be generated is required (for example, if an ion beam having a length of 6 m is to be accelerated, an acceleration electrode tube having a length of 6 m or more is required). When the ion beam is controlled to always maintain a length of 30 cm, the acceleration electrode tube only needs to be about 30 cm in length. In the case of a 10-stage linear accelerator (when 10 accelerating electrode tubes are arranged in series), the total length of the accelerating electrode tube reaches 60 m or more in the former, but it is about 3 m in the latter.
  • the amount of charge contained in the ion beam varies depending on the application. For example, for medical use, an ion beam with a small charge amount is required. On the other hand, for applications in the energy field, ion beams with a large amount of charge are required.
  • the electric field for condensing the ion beam is generated in one gap GD 2.
  • the ion beam accelerated in this way is emitted from the charged particle accelerator 102 to the neutron generator 103.
  • the neutron generator 103 emits neutrons when irradiated with an ion beam. At least a part of the emitted neutrons is irradiated to the thorium aggregate inside the container 104 through the opening. Some neutrons emitted from the neutron generation unit 103 enter the holding unit 105. Since the holding unit 105 is made of an acrylic resin that is a neutron reflector, neutrons are reflected inside the holding unit 105, and the reflected neutrons are irradiated to the thorium aggregate inside the container 104.
  • the cooling unit 103a cools the neutron generator 103.
  • thorium nuclear fuel a nuclear fuel (hereinafter referred to as “thorium nuclear fuel”) using thorium doped with uranium 233 as a main raw material is manufactured.
  • thorium nuclear fuel a nuclear fuel (hereinafter referred to as “thorium nuclear fuel”) using thorium doped with uranium 233 as a main raw material is manufactured.
  • uranium 233 is doped means that a part of thorium 232 is changed to uranium 233 when the thorium aggregate is irradiated with neutrons.
  • the neutron beam when the neutron beam is irradiated so that the neutron flux inside the thorium aggregate has an intensity of about 2 ⁇ 10 13 pieces / cm 2 ⁇ sec, the irradiation of the neutron beam is continued for about 6568 hours (about 273 days).
  • 2% uranium 233 can be doped into the thorium aggregate.
  • the output intensity of the ion beam in the charged particle accelerator 102 is 150 kW.
  • the neutron generation intensity in the nuclear fuel production apparatus 100 is 1.75 ⁇ 10 14 particles / second.
  • the ion beam output intensity of the charged particle accelerator 102 is too low, the intensity of neutron generation is small, and uranium 233 cannot be efficiently doped into the thorium aggregate.
  • the ion beam output intensity of the charged particle accelerator 102 is too high, the neutron generation intensity increases, but the neutron generation unit 103 becomes excessively hot, and cooling by the cooling unit 103a may be insufficient. For this reason, it is preferable to set the output intensity of the ion beam in the range of 10 kW to 200 kW.
  • thorium nuclear fuel can be produced by the ion launching unit 101, the charged particle accelerator 102, and the neutron generation unit 103, and a large-scale such as a reprocessing plant or a nuclear reactor.
  • Thorium nuclear fuel can be produced without the need for facilities. Therefore, compared with the case where thorium nuclear fuel is produced using a large-scale facility, the production facility can be made small, and the production cost can be reduced.
  • uranium 233 is doped into the thorium aggregate by irradiating the thorium aggregate with neutrons, the distribution of uranium 233 in the thorium nuclear fuel can be compared with the case where the fissionable material is mechanically mixed with the thorium aggregate. It becomes easy to make uniform.
  • the time for the specific part of the thorium assembly (container 104 in which the thorium assembly is accommodated) to face the neutron generator 103 is set longer than the time for the other part to face the neutron generator 103, thereby It becomes possible to easily adjust the distribution of uranium 233 in the thorium nuclear fuel, such that the content of uranium 233 in a specific portion can be made larger than the content in other portions.
  • the acceleration electrode tube T 2, T 3, T 4 , ..., at least one of T 28, may be connected to large switching element of the on-resistance.
  • a first-order lag system is configured by the stray capacitance and the on-resistance of the acceleration electrode tube to which the switching element is connected.
  • the charged particle accelerator 102 does not need to be equipped with a high frequency power source. Further, in the conventional charged particle accelerator, it is necessary to synchronize the phase of the high frequency with the gap passage of the ion beam, and therefore it is necessary to precisely adjust the length of the acceleration electrode tube.
  • the ion beam passes through the gap instead of synchronizing the gap passing of the ion beam and the generation timing of the acceleration electric field.
  • the on / off switching timing of the switching element may be adjusted so that the strength of the acceleration electric field increases during this time. For this reason, it is not necessary to precisely adjust the length of the acceleration electrode tube as compared with the conventional case, and the manufacturing cost of the acceleration electrode tube can be reduced.
  • the charged particle accelerator 102 according to the present embodiment does not require a high frequency power source.
  • a high-frequency voltage with a frequency of several hundred megahertz or higher is necessary to accelerate charged particles in a minute time passing through the gap, and a water-cooled voltage is required to drive an accelerator over a long distance.
  • a high-frequency power supply device using a klystron tube (vacuum tube) is indispensable. Since it is not necessary to use such an expensive high-frequency power source, the charged particle accelerator 102 according to the present embodiment can greatly reduce the cost as compared with the conventional case.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the nuclear fuel production apparatus according to the second embodiment.
  • the nuclear fuel manufacturing apparatus 200 according to the embodiment is accelerated by an ion launching unit 201 that launches charged particles, a charged particle accelerator 202 that accelerates charged particles emitted from the ion launching unit 201, and the charged particle accelerator 202.
  • a neutron generator 203 that emits neutrons when charged particles are received.
  • a container 204 in which a thorium lump that is an object of neutron irradiation is accommodated is provided in front of the neutron generator 203.
  • the configurations of the ion launcher 201, the charged particle accelerator 202, the neutron generator 203, and the cooling unit 203a are the same as the ion launcher 101, charged particle accelerator 102, neutron generator 103, and cooling described in the first embodiment. Since it is the same as the structure of each unit 103a, the description is abbreviate
  • the configuration of the container 204 and the thorium aggregate that is the content thereof is the same as the configuration of the container 104 and the thorium aggregate described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. That is, the nuclear fuel production apparatus 200 according to the second embodiment has the same configuration as that obtained by removing the holding unit 105 from the nuclear fuel production apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the nuclear fuel production apparatus 200 since no neutron reflector is provided around the thorium aggregate, only the neutrons emitted from the neutron generator 203 are irradiated to the front side of the thorium aggregate, and thorium The other surfaces (upper and lower surfaces, left and right side surfaces, and back surface) of the aggregate are not irradiated with neutrons. For this reason, in the manufactured thorium nuclear fuel, a large amount of uranium 233 is distributed in the front side portion.
  • FIG. 13 is a graph showing the distribution state of uranium 233 in the manufactured thorium nuclear fuel.
  • the vertical axis represents the relative generation amount (doping concentration) of uranium 233
  • the horizontal axis represents the distance from the front end of the thorium nuclear fuel.
  • uranium 233 is doped at a high concentration on the front side of the thorium nuclear fuel, and the concentration decreases sharply toward the back side.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the nuclear fuel production apparatus according to the third embodiment.
  • the nuclear fuel production apparatus 300 according to this embodiment has a configuration in which two neutron generation sources 310 and 320 are arranged so as to sandwich a container 304 containing a thorium assembly from the front and rear. That is, in the nuclear fuel production apparatus 300 according to the present embodiment, the thorium assembly is irradiated with neutrons from both front and rear.
  • the neutron generation source 310 receives an ion launch unit 311 that launches charged particles, a charged particle accelerator 312 that accelerates charged particles emitted from the ion launch unit 311, and charged particles accelerated by the charged particle accelerator 312. Are provided with a neutron generator 313 for emitting neutrons, and a cooling unit 313a for cooling the neutron generator 313. Further, the neutron generation source 320 receives an ion emitting unit 321 that emits charged particles, a charged particle accelerator 322 that accelerates charged particles emitted from the ion emitting unit 321, and charged particles accelerated by the charged particle accelerator 322. A neutron generator 323 that emits neutrons when it is heated, and a cooling unit 323a for cooling the neutron generator 323.
  • an ion emission unit 311, a charged particle accelerator 312 and a neutron generation unit 313 are arranged in order toward the front.
  • an ion emission unit 321, a charged particle accelerator 322, and a neutron generation unit 323 are arranged in order rearward.
  • a container 304 in which a thorium lump that is a target of neutron irradiation is housed is provided in front of the neutron generator 313 and behind the neutron generator 323.
  • the configurations of the ion launching units 311 and 321, the charged particle accelerators 312 and 322, the neutron generation units 313 and 323, and the cooling units 313 a and 323 a are the same as the ion launching unit 101 and the charged particle accelerator 102 described in the first embodiment.
  • the configuration of each of the neutron generators 103 is the same, and the description thereof is omitted.
  • the configuration of the container 304 and the thorium aggregate that is the content thereof is the same as the configuration of the container 104 and the thorium aggregate described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the nuclear fuel production apparatus 300 since no neutron reflector is provided around the thorium assembly, neutrons emitted from the neutron generation unit 313 are irradiated to the front side of the thorium assembly, and neutron generation is performed. Neutrons emitted from the portion 323 are irradiated to the back side of the thorium aggregate, and the other surfaces (upper and lower surfaces and left and right side surfaces) of the thorium aggregate are not irradiated. For this reason, in the produced thorium nuclear fuel, a large amount of uranium 233 is distributed in the front side and back side portions.
  • FIG. 15 is a graph showing the distribution state of uranium 233 in the manufactured thorium nuclear fuel.
  • the vertical axis represents the relative generation amount (doping concentration) of uranium 233
  • the horizontal axis represents the distance from the front end of the thorium nuclear fuel.
  • uranium 233 is doped at a high concentration on the front side and the back side of the thorium nuclear fuel, and the concentration decreases sharply toward the center.
  • the front side peripheral part and the back side peripheral part are provided. It is possible to produce a thorium nuclear fuel doped with uranium 233 at a high concentration.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the nuclear fuel production apparatus according to the fourth embodiment.
  • the nuclear fuel production apparatus 400 according to the present embodiment has a configuration in which two neutron generation sources 410 and 420 are disposed so as to sandwich a container 404 containing a thorium assembly and a holding unit 405 holding the container 404 from the front and rear. It is. That is, in the nuclear fuel manufacturing apparatus 400 according to the present embodiment, the thorium assembly is held by the holding unit 405 made of a neutron reflector, and the thorium assembly is irradiated with neutrons from both the front and rear sides.
  • the neutron generation source 410 receives an ion launching unit 411 that launches charged particles, a charged particle accelerator 412 that accelerates charged particles emitted from the ion launching unit 411, and charged particles accelerated by the charged particle accelerator 412 Are provided with a neutron generator 413 for emitting neutrons, and a cooling unit 413a for cooling the neutron generator 413. Further, the neutron generation source 420 receives an ion emitting unit 421 that emits charged particles, a charged particle accelerator 422 that accelerates charged particles emitted from the ion emitting unit 421, and charged particles accelerated by the charged particle accelerator 422. A neutron generator 423 that emits neutrons at the time, and a cooling unit 423a for cooling the neutron generator 423.
  • an ion emission unit 411, a charged particle accelerator 412, and a neutron generation unit 413 are arranged in order toward the front.
  • an ion emission unit 421, a charged particle accelerator 422, and a neutron generation unit 423 are arranged in order rearward.
  • a container 404 containing a thorium lump that is a target of neutron irradiation is held by a holding unit 405, and the container 404 and the holding unit 405 are provided in front of the neutron generation unit 413 and behind the neutron generation unit 423. It has been.
  • the configurations of the ion launching units 411 and 421, the charged particle accelerators 412 and 422, the neutron generation units 413 and 423, and the cooling units 413a and 423a are the same as the ion launching unit 101 and the charged particle accelerator 102 described in the first embodiment. Since the configuration is the same as that of each of the neutron generator 103 and the cooling unit 103a, description thereof is omitted. In addition, the configuration of the container 404 and the thorium aggregate that is the contents thereof are the same as the configuration of the container 104 and the thorium aggregate described in Embodiment 1, and thus the description thereof is omitted.
  • the holding unit 405 is configured such that the block 106 at the center portion of the third layer is removed from the holding unit 105 shown in FIGS. 5, 6A, 6B, and 6C. That is, the third layer of the holding unit 405 is configured by arranging eight blocks so as to form a square composed of three blocks 106 on one side. That is, the third layer has a square shape with a missing central portion in a front view, and has the same configuration as the first layer 105a of the holding unit 105 illustrated in FIG. 6A.
  • the holding unit 405 has a cubic shape including three blocks 106 on one side.
  • an opening for one block is provided at each of the front center and the back center of the holding portion 405, and the container 404 is exposed through this opening.
  • the neutron reflector is provided around the thorium aggregate, the neutrons emitted from the neutron generator 413 are irradiated to the front side of the thorium aggregate, and the neutron generation Neutrons emitted from the portion 423 are irradiated on the back side of the thorium aggregate, and neutrons reflected by the holding unit 405 are irradiated from the other surfaces (upper and lower surfaces and left and right side surfaces) of the thorium aggregate. .
  • uranium 233 is distributed almost uniformly throughout.
  • FIG. 17 is a graph showing the distribution state of uranium 233 in the manufactured thorium nuclear fuel.
  • the vertical axis represents the relative generation amount (doping concentration) of uranium 233
  • the horizontal axis represents the distance from the front end of the thorium nuclear fuel.
  • uranium 233 is generated a little more on the front side and the back side of the thorium nuclear fuel than other parts, and the generation amount gradually decreases toward the center.
  • the concentration of uranium 233 in the peripheral portion on the front side end and the peripheral portion on the back side end of the thorium nuclear fuel is 1, the concentration of uranium 233 in the central position is about 0.4.
  • the uranium 233 concentration at the center position is about 0.03 compared to the front edge.
  • the difference in doping concentration of uranium 233 at the side edge, the rear edge and the center position is very small, and it can be said that uranium 233 is doped almost uniformly throughout the thorium nuclear fuel.
  • neutrons are irradiated from the front side and the back side of the thorium aggregate and the neutron reflector is arranged around the thorium aggregate, a thorium nuclear fuel in which uranium 233 is distributed almost uniformly over the whole is manufactured. It becomes possible.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a schematic configuration of the nuclear fuel production apparatus according to the fifth embodiment.
  • the nuclear fuel production apparatus according to the present embodiment includes a charged particle accelerator 502 including a plurality of charged particle acceleration units 502a, 502a, 502a,.
  • the configuration of each charged particle acceleration unit 502a is the same as the configuration of the charged particle accelerator 102 according to the first embodiment. That is, the charged particle acceleration unit 502a, a plurality of accelerating electrode tube T 1, T 2, T 3 , T 4, ..., a linear accelerator having a T 28.
  • Each charged particle acceleration unit 502a is so as to sandwich the accelerating electrode tube T 1, which comprises two dummy electrode tube DT 1 and DT 2.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a charged particle accelerator according to the fifth embodiment.
  • the charged particle accelerator 200 includes two high-voltage DC power sources P1 and P2.
  • the output voltage of the high voltage DC power supply P1 is 60 kV
  • the output voltage of the high voltage DC power supply P2 is 20 kV.
  • Each charged particle acceleration unit 502a has a configuration in which acceleration electrode tubes T 1 , T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 are arranged in a plurality of stages (28 stages) in series. That is, a plurality of charged particle acceleration unit 502a, 502a, the 502a ... each are an acceleration electrode unit T 1 of the 28-stage, T 2, T 3, T 4, ..., T 28 are provided, each charged particle An acceleration electrode tube group is constituted by the same-stage acceleration electrode tubes included in each of the acceleration units 502a, 502a, 502a. That is, the charged particle accelerator 200 includes 28 stages of acceleration electrode tube groups.
  • the cathode of the high-voltage DC power supply P1, accelerating electrode tube T 1 of the one charged particle acceleration unit 502a through the switching elements SWR 1 is connected.
  • the cathode of the high-voltage DC power supply P1 via the switching element SWR 2 is connected to one of the accelerating electrode tube T 2
  • the switching elements SWR 3 is connected to one of the accelerating electrode tube T 3
  • the switching elements , SWR 28 is connected to each of acceleration electrode tubes T 4 , T 5 ,..., T 28 via SWR 4 , SWR 5 ,.
  • the acceleration electrode tubes T 2 , T 2 , T 2 ,... Included in the second-stage acceleration electrode tube group are connected to each other by a conductor.
  • the acceleration electrodes included in the third-stage acceleration electrode tube group Tubes T 3 , T 3 , T 3 ,..., Included in the fourth-stage acceleration electrode tube group T 4 , T 4 , T 4 ,..., Included in the 28th-stage acceleration electrode tube group As for each of the acceleration electrode tubes T 28 , T 28 , T 28 ,.
  • the anode of the high voltage DC power supply P1 is grounded.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of the acceleration electrode tube.
  • the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Arranged in parallel to each other, that is, the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,. It is held by a holding member 514.
  • the acceleration electrode tube holding member 514 is made of a stainless alloy as a conductor. Therefore, the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Are electrically connected by the acceleration electrode tube holding member 514.
  • the tubes are held by an acceleration electrode tube holding member 514 and are electrically connected by an acceleration electrode tube holding member 514.
  • the anode of the high voltage DC power source P2, accelerating electrode tube T 1 of the one charged particle acceleration unit 502a through the switching element SWF 1 is connected.
  • the anode of the high voltage DC power source P2, via the switching element SWR 2 is connected to one of the accelerating electrode tube T 2, it is connected via a switching element SWR 3 to one accelerating electrode tube T 3, similarly switched element SWR 4, SWR 5, ..., accelerating electrode tube T 4, T 5 via respective SWR 28, ..., are connected one by one to each of the T 28.
  • the cathode of the high voltage DC power supply P2 is grounded.
  • Each accelerating electrode tube T 1 has a stray capacitance. Capacitor C due to the stray capacitance, one electrode is connected to the accelerating electrode tube T 1, it can be thought of as the other electrode is grounded.
  • the switching element SWR 1 when the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, the high-voltage DC power supply P1 and the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,. Are connected to each other, and the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,.
  • the circuit including the accelerating electrode tube T 1 , the high-voltage DC power source P 1, and the capacitor C is a first-order lag system. Therefore, after the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, the potentials of the accelerating electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Change with a first order lag and finally become ⁇ 60 kV. .
  • the switching element SWR 1 when the switching element SWR 1 is turned off and the switching element SWF 1 is turned on, the high-voltage DC power supply P1 and the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,. Are disconnected, the high voltage DC power supply P2 and the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Are connected, and the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,.
  • the circuit including the accelerating electrode tube T 1 , the high-voltage DC power source P 2, and the capacitor C constitutes a first-order lag system. Therefore, after the switching element SWR 1 is turned off and the switching element SWF 1 is turned on, the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Change with a first-order lag and finally become 20 kV.
  • the other acceleration electrode tubes T 2 to T 28 have stray capacitances.
  • the switching element SWR n When the switching element SWR n is turned on and the switching element SWF n is turned off, the acceleration included in the n-th stage acceleration electrode tube group is included.
  • the potentials of the electrode tubes T n , T n , T n ,... Gradually approach -60 kV with a first order lag (n is an integer from 2 to 28).
  • the switching element SWR n is turned off and the switching element SWF n is turned on, the potentials of the acceleration electrode tubes T n , T n , T n ,... Included in the n-th acceleration electrode tube group gradually approach 20 kV. .
  • gaps GD 1 , GD 1 are provided between the respective acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... And the dummy electrode tubes DT 1 , DT 1 , DT 1 ,. , GD 1 ,... Are provided.
  • gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,... are also provided between the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... And the dummy electrode tubes DT 2 , DT 2 , DT 2 ,. Yes.
  • gaps G1, G1, G1,... are also provided between the dummy electrode tubes DT 2 , DT 2 , DT 2 ,...
  • the nuclear fuel production apparatus includes an ion launching unit 501 that launches an ion beam to each charged particle acceleration unit 502a, 502a, 502a,..., And each charged particle acceleration unit 502a. , 502a, 502a,..., Neutron generator 503 that receives the ion beam accelerated and generates neutrons, and a control unit (not shown) made of FPGA.
  • the ion emitting unit 501 can simultaneously emit ion beams to the dummy electrode tubes DT 1 , DT 1 , DT 1 ,... Of each charged particle acceleration unit 502a, 502a, 502a,.
  • the neutron generation unit 503 includes a plurality of neutron generation units 503a, 503a, 503a,..., Each of which is arranged behind the charged particle acceleration units 502a, 502a, 502a,. It is possible to generate neutrons by receiving the ion beam emitted from the charged particle acceleration units 502a, 502a, 502a,.
  • the control unit is connected to the ion emission unit 501 and each of the switching elements SWR 1 , SWR 2 ,..., SWR 28 , SWF 1 , SWF 2 , ..., SWF 28 , and the ion emission unit 501 and switching element SWR. 1, SWR 2, ..., SWR 28, SWF 1, SWF 2, ..., it is possible to drive the SWF 28.
  • a container that accommodates a thorium aggregate that is a target of neutron irradiation is disposed behind the neutron generator 503.
  • the container may be installed so that it may be enclosed in the installation part comprised by the neutron reflecting material or the neutron multiplier, or only a container may be sufficient as it.
  • the front surface of the container has the same size as the front surface of the neutron generator (the neutron irradiation surface, that is, the surface opposite to the charged particle accelerator 502), and faces the neutron generator 503. Placed in.
  • the control unit turns on the switching element SWR 1 and turns off the switching element SWF 1 .
  • the switching element SWR 2, SWR 3, SWR 4 , ..., the SWR 28 is turned on, the switching element SWF 2, SWF 3, SWF 4 , ..., to turn off the SWF 28 (step S1).
  • the switching element SWR 1 is turned on and the switching element SWF 1 is turned off, each of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,. P1 is connected, and the connection between the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,...
  • Step S1 a change in potential applied to the accelerating electrode tube T 1 is after the elapse of sufficient time to converge, the process of step S2 is executed. Therefore, the potentials of the acceleration electrode tubes T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the first-stage acceleration electrode tube group are ⁇ 60 kV.
  • each charged particle acceleration unit 502a When the switching elements SWR 2 , SWR 3 , SWR 4 ,..., SWR 28 are turned on and the switching elements SWF 2 , SWF 3 , SWF 4 ,..., SWF 28 are turned off, each charged particle acceleration unit 502a. , 502a, 502a ... accelerating electrode tube T 2 of the, T 3, T 4, ... , are cut off the connection between the respective high voltage DC power source P2 of the T 28, the charged particle acceleration units 502a, 502a, 502a ... acceleration Each of the electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 is connected to the high voltage DC power supply P1. Therefore, the respective potentials of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 of each charged particle acceleration unit 502a, 502a, 502a.
  • the control unit controls the ion emitting unit 501 to emit an ion beam (step S2).
  • the ion launching unit 501 transmits an ion beam having an ion current value, a diameter, and a length determined by setting to dummy electrode tubes DT 1 , DT 1 , DT 1 ,... Of each charged particle acceleration unit 502 a, 502 a, 502 a. Fire at the same time.
  • the ion beam emitted from the ion emission unit 501 passes through the dummy electrode tubes DT 1 , DT 1 , DT 1 ,... And simultaneously enters the gaps GD 1 , GD 1 , GD 1 ,.
  • the potential of the dummy electrode tube DT 1 is the ground potential and the potential of the acceleration electrode tube T 1 is ⁇ 60 kV, an electric field is formed in the gap GD 1 .
  • the direction of the electric field is the direction from the dummy electrode tube DT 1 toward the acceleration electrode tube T 1 , that is, the front. Since the charged particles contained in the ion beam has a positive charge, the ion beam is accelerated by the electric field while passing through the gap GD 1, it enters the accelerating electrode tube T 1. All of the ion beam in the gap GD 1 is subjected to acceleration in equal electric field.
  • step S3 determines whether or not a predetermined switching time has been reached. If it is determined that the switching time has not been reached (NO in step S3), the process of step S3 is performed again. repeat.
  • This switching time is a preset value, and after the ion beam is emitted, each accelerating electrode tube T 1 , T 1 , T including the leading edge of each ion beam included in the first-stage accelerating electrode tube group. It is the time to reach the center of 1 ,. That is, when it is determined in step S3 that the switching time has been reached, the leading edge of each ion beam is positioned at the center of each acceleration electrode tube T 1 , T 1 , T 1 ,. .
  • step S3 when the switching time has been reached (YES in step S3), the control unit turns off switching element SWR 1 and simultaneously turns on switching element SWF 1 (step S4).
  • the connection between each acceleration electrode tube T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the first-stage acceleration electrode tube group and the high-voltage DC power supply P1 is cut off, and the first-stage acceleration electrode tube
  • Each acceleration electrode tube T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the group is connected to a high-voltage DC power supply P2. Therefore, a positive potential is applied to each acceleration electrode tube T 1 , T 1 , T 1 ,... Included in the first-stage acceleration electrode tube group.
  • the potential of the acceleration electrode tube T 1 (that is, the gap GD)
  • the potential difference at 1 increases with time.
  • the potential difference in the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,... Is positive, the direction of the electric field in the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,. Therefore, as the electric field strength in the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,... Increases, the charged particles are strongly accelerated in the traveling direction. Therefore, when each ion beam passes through the gaps GD 2 , GD 2 , GD 2 ,..., Each ion beam is condensed in the axial direction to form a bunch.
  • step S4 the control unit assigns 2 to the variable q (step S5), and determines whether or not a predetermined switching time corresponding to the next entering acceleration electrode tube Tq has been reached (step S5). S6) If it is determined that the switching time has not been reached (NO in step S6), the process in step S6 is repeated again. Corresponding switching times are predetermined for each of the acceleration electrode tubes T 2 , T 3 , T 4 ,..., T 28 . Each switching time, the ion beam is emitted, the time until the leading edge of the ion beam reaches the center of the accelerating electrode tube T q corresponding to the switching time. That is, when it is determined in step S6 that the switching time has been reached, the leading edge of each ion beam of the acceleration electrode tubes T q , T q ,. It is located in the center part.
  • step S6 when the switching time has been reached (YES in step S6), the control unit turns off switching element SWR q and simultaneously turns on switching element SWF q (step S7).
  • the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... Included in the q-th stage accelerating electrode tube group are connected to the high-voltage DC power supply P2, and are included in the q-th stage accelerating electrode tube group. Accelerating electrode tubes T q , T q , T q ,... And the high voltage DC power supply P1 are disconnected. Therefore, a positive potential is applied to the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,... Included in the q-th acceleration electrode tube group.
  • the acceleration electrode tubes T q + 1 , T q + 1 , T q + 1 ,... Included in the q + 1-th acceleration electrode tube group following the q-th acceleration electrode tube group are connected to the high-voltage DC power supply P2. It is not connected to the high voltage DC power supply P1. Therefore, the potentials of the acceleration electrode tubes T q + 1 , T q + 1 , T q + 1 ,... Included in the q + 1 stage acceleration electrode tube group are ⁇ 60 kV. Therefore, the potential difference in the gaps G q , G q , G q ,... Between the accelerating electrode tubes T q , T q , T q ,...
  • the direction of the electric field in q 1 , G q , G q ,... is the direction from the accelerating electrode tubes T q , T q , T q , ... to the accelerating electrode tubes T q + 1 , T q + 1 , T q + 1,.
  • the ion beam is accelerated by this electric field while passing through the gaps G q , G q , G q, G q,.
  • the on-resistance of the switching element SWR q is set to a small value in the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,. Is a very small value of less than 5 nanoseconds. Therefore, at the time when the ion beam passes through the gaps G q , G q , G q ,..., The potentials of the acceleration electrode tubes T q , T q , T q ,. Therefore, it can be said that there is almost no effect that the ion beam is condensed in the axial direction by passing through the gaps G q , G q , G q,.
  • the control unit determines whether or not the value of the variable q at that time is 28 (step S8). If the value of variable q is not 28 (NO in step S8), the control unit increments the value of variable q by 1 (step 9), and returns the process to step S6. As a result, the potentials of the acceleration electrode tube groups in the second and subsequent stages, which were applied to ⁇ 60 kV at the initial operation of the charged particle accelerator 200, are sequentially switched to 20 kV.
  • step 8 when the value of variable q is 28 (YES in step S8), control unit 112 ends the process.
  • the ion beam accelerated in this way is emitted from the charged particle accelerator 502 to the neutron generator 503.
  • the neutron generator 503 emits neutrons when irradiated with an ion beam. At least a part of the emitted neutrons is irradiated to the thorium aggregate inside the container.
  • the cooling unit cools the neutron generator 503.
  • thorium aggregate When the thorium aggregate is irradiated with neutrons, a part of thorium 232 absorbs neutrons and changes to thorium 233. Thorium 233 changes to uranium 233 through protoactinium 233. In this way, uranium 233, which is a fissile material, is generated inside the thorium aggregate, and thorium nuclear fuel using thorium doped with uranium 233 as a main raw material is manufactured.
  • a plurality of parallel ion beams are simultaneously emitted by the ion emission unit 501 and accelerated by the respective charged particle acceleration units 502a, 502a, 502a.
  • a charged particle accelerator having the same configuration as that of two charged particle acceleration units, it is possible to output an ion beam having a large energy as a whole. For this reason, many neutrons can be generated from the neutron generation part 503, and by extension, the thorium aggregate can be doped with a desired amount (for example, 2%) of uranium 233 in a short time.
  • the output intensity of the ion beam per charged particle acceleration unit 502a is 150 kW.
  • the neutron generation intensity per charged particle acceleration unit 502a is 1.75 ⁇ 10 14 particles / second.
  • the output intensity of the ion beam in the range of 10 kW to 200 kW per charged particle acceleration unit.
  • the nuclear fuel production apparatus is configured to drive all the charged particle acceleration units 502a, 502a, 502a... With two DC power sources P1, P2. Further, by controlling on / off of one switching element SWR n , connection / acceleration between the acceleration electrode tubes T n , T n , T n ,... Of each charged particle acceleration unit 502 a, 502 a, 502 a. The non-connection can be switched, and the switching electrode SWF n is turned on / off to control the acceleration electrode tubes T n , T n , T n ,... Of each charged particle acceleration unit 502 a, 502 a, 502 a.
  • connection / non-connection with the power supply P2 can be switched (n is an integer of 1 to 28). Therefore, the charged particle acceleration unit 502a, 502a, with respect 502a ... each DC power source P1, P2 and the switching elements SWR 1, SWR 2, ..., SWR 28, SWF 1, SWF 2, ..., a SWF 28 The manufacturing cost can be suppressed with respect to the provided configuration.
  • FIG. 21 is a perspective view showing the configuration of the holding part of the thorium aggregate according to the sixth embodiment.
  • a container 604 containing a thorium aggregate is held by a holding unit 605 made of a neutron multiplier, and the container 604 and the holding unit 605 are irradiated with neutrons.
  • the neutron multiplier beryllium or molybdenum for multiplying neutrons by (n, 2n) reaction, or a fissile material for multiplying neutrons by fission reaction can be used.
  • the holding unit 605 has a cubic shape, and holds the container 604 at the center of the inside. Since the structure of the container 604 is the same as that of the container 104 described in Embodiment 1, the description thereof is omitted.
  • the effective neutron multiplication factor of the holding unit 605 is set to 0.95 or less.
  • the higher the effective neutron multiplication factor the more neutrons to be multiplied and the higher the conversion rate from thorium 232 to uranium 233. That is, the higher the neutron effective multiplication factor, the larger the amount of uranium 233 generated per unit time.
  • the effective neutron multiplication factor of the holding unit 605 is 0.95 or less.
  • the present invention is not limited to this, and even if it is 0.98 or 0.99 or less. Good. By doing in this way, it becomes possible to further improve the production efficiency of thorium nuclear fuel.
  • the nuclear fuel production apparatus When neutrons are irradiated to the thorium assembly by the nuclear fuel production apparatus according to the present embodiment, for example, when a neutron multiplier with a neutron effective multiplication factor of 0.9 is used, compared with a case where no neutron multiplier is used Since the neutron flux intensity is about 9 times higher, the irradiation time required for doping the same amount of uranium 233 can be reduced to 1/9.
  • the nuclear fuel production apparatus for example, when the neutron beam is irradiated so that the neutron flux inside the thorium aggregate has an intensity of about 2 ⁇ 10 13 pieces / cm 2 ⁇ sec, By continuing irradiation with neutrons for about 730 hours (about 30 days), the thorium aggregate can be doped with 2% uranium 233.
  • FIG. 22 is a perspective view showing a configuration of a container of thorium aggregates according to the seventh embodiment.
  • the nuclear fuel production apparatus according to Embodiment 7 irradiates neutrons to a container 704 constituted by a plurality of container blocks 704a that contain thorium aggregates.
  • the container block 704a is a cube having one side of 8.3 cm and is made of a stainless alloy. Twenty-seven such container blocks 704a are combined to form a container 704.
  • the container 704 is a cube made up of three container blocks 704a on each side.
  • the container block 704a accommodates a solid thorium aggregate such as a lump of metal thorium (a cube having a side of about 3 cm) or a thorium dioxide pellet (diameter: 8.2 mm, height: 13.5 mm).
  • the container blocks 704a can be interchanged with each other.
  • the nuclear fuel production apparatus it is possible to irradiate the thorium assembly with neutrons for a certain period, and then irradiate the neutrons again by changing the position of the container block 704a. For example, every time a thorium aggregate is irradiated with neutrons for 24 hours, if the position of the container block 704a is changed and this is carried out for 20 days, the content of uranium 233 can be adjusted for each container block 704a. For example, by increasing the time for placing a specific container block 704a on the front side as compared with other container blocks, the thorium aggregate accommodated in the specific container block 704a can be changed to another container block 704a.
  • More uranium 233 can be doped than the contained thorium aggregate. For this reason, for example, thorium nuclear fuel having a uranium 233 content of 3% is manufactured in one container block 704a, and thorium nuclear fuel having a uranium 233 content of 1% is manufactured in another container block 704a. The content of can be adjusted. It is also possible to produce thorium nuclear fuel with a uniform uranium 233 content in all container blocks 704a by adjusting the arrangement so that neutrons are evenly irradiated to all container blocks 704a.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing the configuration of the holding portion of the thorium aggregate according to the eighth embodiment.
  • a container 804 containing a liquid thorium aggregate 810 is held by a holding unit 805 made of a neutron reflector, and neutrons are supplied to the container 804 and the holding unit 805. Irradiate.
  • the temperature thereof is about 600 °, so that when an acrylic resin is used as a neutron reflector, it is dissolved. Therefore, graphite or silicon carbide can be used as the neutron reflector.
  • the holding part 805 is a cube provided with an opening extending from the front center part to the inside, and holds the container 804 at the inner center.
  • the container 804 has a cubic shape and is made of a nickel alloy.
  • the container 804 contains a eutectic salt of thorium tetrafluoride and lithium fluoride, which is a liquid thorium aggregate. Further, a eutectic salt of lithium fluoride, beryllium fluoride, and thorium tetrafluoride may be used as the molten salt that is a liquid thorium aggregate.
  • the mixed salt of lithium chloride and lithium fluoride can replace with the lithium fluoride contained in the molten salt mentioned above, and can also use the mixed salt of lithium chloride and lithium fluoride. Further, in place of the mixed salt of lithium chloride and lithium fluoride, two or more selected from chlorides such as sodium chloride, potassium chloride, magnesium chloride, calcium chloride, aluminum chloride, tin chloride or the like.
  • fluoride such as lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, aluminum fluoride, tin fluoride or these fluorides
  • hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, aluminum hydroxide, tin hydroxide, or their hydroxides
  • a nitrate such as magnesium nitrate, calcium nitrate, aluminum nitrate, tin nitrate or a mixed nitrate
  • the holding unit 805 is provided with a stirring unit 806.
  • the stirring unit has a motor 806a, a rotating shaft 806b, and a stirring blade 806c.
  • a hole penetrating from the upper surface of the holding portion 805 to the upper surface of the container 804 is provided, and the rotation shaft 806b is inserted through the hole.
  • An upper end of the rotating shaft 806b is connected to the motor 806a, and a stirring blade 806c in which a plurality of plate-like members are arranged radially is attached to the lower end of the rotating shaft 806b.
  • the stirring blade 806c rotates via the rotating shaft 806b, so that the eutectic salt of thorium tetrafluoride and lithium fluoride in the container 804 is stirred. It has become.
  • the thorium assembly can be stirred by the stirring device 806 while the thorium assembly is irradiated with neutrons and the irradiation is performed.
  • Stirring of the thorium aggregate can be performed continuously or intermittently.
  • the entire thorium aggregate can be uniformly doped with uranium 233.
  • FIG. 24 is a perspective view showing a part of the configuration of the holding part of the thorium aggregate according to the ninth embodiment.
  • a container 904 that stores a thorium aggregate is held by a holding unit configured by a neutron reflector, and the container 904 and the holding unit are irradiated with neutrons.
  • the holding unit according to the present embodiment has a configuration including a second layer 905b shown in FIG. 24 instead of the second layer 105b of the holding unit 105 described in the first embodiment.
  • the second layer 905b includes seven cubic blocks and one cylindrical rotating base 907, and these blocks and the rotating base 907 are arranged so as to form a square when viewed from the front. . More specifically, each of the upper side, the left side, and the right side of the second layer 905b is configured by arranging three cubic blocks, and the lower side is sandwiched between two cubic blocks and these blocks. And a rotating pedestal 907 arranged as described above. A motor 908 is disposed below the rotary pedestal 907, and the rotation shaft of the motor 908 is connected to the lower surface of the rotary pedestal 907. When the motor 908 is driven, the rotary base 907 rotates horizontally.
  • the upper part of the rotating pedestal 907 that is, the central portion of the second layer 905b is a space for installing a container 904 for containing a thorium aggregate.
  • the container 904 has a cubic shape smaller than the block described above. In other words, the container 904 has a size that does not protrude from the circular shape of the upper surface of the rotating base 907 so that the container 904 installed on the rotating base 907 can rotate.
  • the configuration of the holding unit according to the present embodiment is the same as the configuration of the holding unit 105 described in the first embodiment except that the second layer is the configuration described above, and thus the description thereof is omitted. Moreover, since the other structure of the nuclear fuel manufacturing apparatus which concerns on this Embodiment is the same as that of structures other than the container 104 and the holding
  • the thorium assembly can be rotated by irradiating the thorium assembly with neutrons and rotating the rotating base 907 during the irradiation.
  • the thorium aggregate can be rotated continuously or intermittently. For example, when the thorium aggregate during neutron irradiation is continuously rotated, the entire thorium aggregate can be uniformly doped with uranium 233.
  • the specific part of the thorium aggregate when a specific part of the thorium aggregate is doped with uranium 233 at a specific content and the other part is doped with uranium 233 at a content lower than the specific content, the specific part
  • the rotating pedestal 907 may be rotated intermittently so that the time during which the neutron generator faces the neutron generator and the time during which the other part faces the neutron generator is shortened.
  • the ion beam is accelerated by the charged particle accelerator, and the neutron generation source is irradiated with the accelerated ion beam, thereby generating neutrons and irradiating the thorium aggregate with the neutrons.
  • the present invention is not limited to this. It is also possible to use a nuclear reactor or a fusion reactor as a neutron generation source to irradiate the thorium aggregate with the generated neutrons.
  • the configuration in which the ion beam is accelerated by the charged particle accelerator that controls the voltage application from the DC power supply by switching is described, it is not limited to this.
  • a cyclotron driven by a high-frequency power source may be used.
  • the acceleration electrode tube T 1 is disposed between the dummy electrode tubes DT 1 and DT 2 , and the gap GD 1 between the dummy electrode tube DT 1 and the acceleration electrode tube T 1 is An electric field that does not change in time is formed while the ion beam passes, the ion beam is accelerated by this electric field, and the ion beam passes through the gap GD 2 between the acceleration electrode tube T 1 and the dummy electrode tube DT 2. In the meantime, an electric field whose strength increases with time is formed and the ion beam is accelerated by this electric field.
  • the present invention is not limited to this.
  • the dummy electrode tube DT 2 of the front may be placed accelerating electrode tube connectable to the respective high-voltage direct-current power source P1, P2.
  • a potential of -60kV the initial state to the accelerating electrode tube arranged on the front side of the accelerating electrode tube T 1.
  • the strength of the electric field is changed in a first-order lag in the gap between the accelerating electrode tube T 1 and the accelerating electrode tube of the adjacent, by the gap ion beam passes while changing ion
  • the beam can be shortened in the axial direction.
  • the capacitor C is a stray capacitance of the accelerating electrode tube T 1, it has been described in terms of forming a first-order lag circuit, but is not limited thereto. Connecting a capacitor to the acceleration electrode tube T 1, thereby may be provided with a first-order lag circuit.
  • the present invention is not limited to this. It is good also as a structure which changes the strength of an electric field by a secondary delay in the gap between adjacent electrode tubes.
  • the accelerating electrode tube T 1 connects two capacitors, accelerating electrode tube T 1, the high voltage DC power source P1, and a circuit including two capacitors may be a secondary delay system.
  • the attenuation ratio is 1 or less.
  • the charged particle accelerator is a linear accelerator, but is not limited to this.
  • a plurality of accelerating electrode tubes are arranged non-linearly, a deflection magnet is arranged between adjacent accelerating electrode tubes, and the traveling direction of charged particles in progress is changed by the deflecting magnet, thereby accelerating electrodes arranged non-linearly.
  • a configuration may be adopted in which charged particles are sequentially passed through the tube.
  • a switching element having a large on-resistance is connected to at least one accelerating electrode tube, and the switching element is turned on / off so that a gap between the accelerating electrode tube and the adjacent accelerating electrode tube is obtained.
  • an electric field whose strength increases with time is formed. The ion beam can be passed through the gap while the electric field strength is increasing.
  • the length of the ion beam can be adjusted by controlling the voltage applied to the electrode (dee) of the cyclotron.
  • a switching element having a large on-resistance is connected to one of the electrodes of a cyclotron to form a first-order lag system, and the electrode is connected to a DC power source via the switching element. While the ion beam emitted from the ion emitter passes through the inside of one electrode, a negative potential is applied to the one electrode by switching the switch, and a positive potential is applied to the other electrode. To do. The ion beam is passed through the gap while the electric field strength of the gap increases due to the first order lag.
  • the switching element SWR 1 is switched from on to off and the switching element SWF 1 is switched from off to on while the ion beam travels through the acceleration electrode tube T 1 .
  • a positive potential is applied to the accelerating electrode tube T 1, to form an electric field strength increases with time gap GD 2 between the dummy electrode tube DT 2 and the acceleration electrode tube T 1 that is grounded structure
  • the present invention is not limited to this.
  • the following configuration can also be adopted. Applying a constant negative potential to the dummy electrode tube DT 2 advance, by switching off the switching element a negative potential is connected to the accelerating electrode tube being applied, the connection between the DC power supply and the accelerating electrode tube Shut off.
  • the electric field strength increases with time gap GD 2 between the dummy electrode tube DT 2 and the acceleration electrode tube T 1 is formed.
  • each ion beam is applied to a wide rear surface of the neutron generator 503 (a surface facing the charged particle accelerator 502) to generate neutrons in a wide range from the neutron irradiation surface.
  • an electromagnet is arranged in front of a charged particle accelerator composed of one charged particle acceleration unit, and the direction of the electric field generated by this electromagnet is changed to deflect the ion beam and generate neutrons. It is also possible to irradiate the ion beam so as to scan the rear surface of the part. Thereby, it becomes possible to irradiate neutrons over a wide range by one charged particle acceleration unit.
  • the nuclear fuel production apparatus and nuclear fuel production method of the present invention are useful as a nuclear fuel production apparatus and a nuclear fuel production method for producing nuclear fuel using thorium as a main raw material.
  • Nuclear fuel production apparatus 101, 202, 311, 321, 411, 421 Ion launcher 102, 202, 312, 322, 412, 422

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Abstract

　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。　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。

Description

核燃料製造装置及び核燃料製造方法
　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、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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