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放射化断面積データベースJENDL/AD-2017について

【ポイント】
● 原子力施設で発生する放射性核種の生成量を予測するためのデータベースを開発
● 核反応に関する最新知見を投入し、精度を高めたデータを大幅に拡充
● 研究・医療用加速器施設における放射性核種の生成量評価へも適用可能
原子炉施設や研究・医療用加速器施設の安全かつ合理的な廃止措置に資するため、放射性核種の生成量評価(放射能インベントリ評価)のための放射化断面積データベース「JENDL/AD-2017」を開発しました。
 近年関心が高まっている原子炉施設の廃止措置では、はじめに放射化断面積データベースを用いた放射化計算を実施し放射能インベントリ評価が行われます(図A)。これまでも放射化断面積データベースとしては「JENDL/A-96」等があり、これらを用いた評価が行われておりました。一方で、さらなる精度向上を目指した最新知見の反映も継続的に進めていく必要があると考えております。
 核データ研究グループでは、収録核種数を大幅に拡充するとともに、核反応データの最新知見を反映してデータを見直すことで、精度向上を行いました。収録核種数の大幅な充実により(図B)、原子炉施設の構造材、コンクリート遮へい体だけでなく、ハフニウム等の制御棒材料や鉛、ビスマス等の放射線遮へい材等に対する放射能インベントリ評価が可能となります。また、研究や医療目的に利用される陽子や電子線加速器施設を含め、様々な施設の廃止措置への適用が期待されます。
 今後の研究開発により、収録データの「不確かさ」情報を充実させ、さらなる品質向上を目指す予定です。本成果は、下記ホームページより公開しております。


図A 沸騰水型軽水炉コンクリート遮へい体におけるクリアランスレベルで除した放射能の経年変化。10年から100年の経年期間において、JENDL/AD-2017とJENDL/A-96で差が見られます。 この主要因は、Nb-93m(半減期は16年)の生成量予測の違いによるものです。


図B 計算可能となった放射性核種の範囲。図中の左側にある系列は下と左軸で、右側にある系列(陽子数50以下)は上と右軸で、それぞれ中性子数、陽子数が表されている。 JENDL/AD-2017とJENDL/A-96について、対象221放射性核種が収録されている場合にはそれぞれで示してある。 また、生成断面積が収録された放射性核種は、 同様にで示してある。


【研究開発の背景と目的】

 我が国の原子炉施設のうち高経年化した施設では、廃止措置が進められようとしています。これらの施設における廃止措置計画の立案では、はじめに原子炉施設の運転により発生した放射能インベントリの評価が行われます。この評価結果は、廃止措置の全ての工程で必須の情報となります。原子炉の運転条件に基づき、生成される核種の種類と量を、計算により評価する上で欠かせない基盤データが、放射化断面積データです。このデータは、原子炉で発生する中性子と原子炉構造材等を構成する核種との核反応により、放射性核種が生成される確率(核反応の起こる確率のことを断面積と呼びます)を表す物理量です。我が国では1996年に公開された放射化断面積ファイル「JENDL/A-96」がありましたが、新たな実験データ等の知見を反映したデータの充実が求められていました。今回開発した放射化断面積データベース「JENDL/AD-2017」は、データを大幅に充実させ、廃止措置で評価対象となる半減期が30日以上の放射性核種の生成量を評価可能としました。

【研究の手法】

 原子炉施設で生成される可能性がある放射性核種のうち、半減期が30日以上の核種と超長寿命核種を加えた全221核種の放射性核種の生成量を評価できるように、データベースに収録する親核種を選定しました。これらの放射性核種を生成する核反応として、主要な中性子捕獲反応だけでなく、荷電粒子が複数放出される核反応も含めました。このように、様々な核反応を考慮して親核種を抽出しました。親核種の総数は、311核種に達します。
 この放射化断面積データには、放射性核種の生成断面積に加えて、核種の基底状態とエネルギーの高い準安定状態(核異性体状態)を生成する断面積が別々に収録されています。核種によっては、長寿命の核異性体状態を持つものがあり、核異性体状態の生成断面積は放射能評価に不可欠なデータとなるため、そのデータを充実させました。

【得られた成果】

 原子炉等の施設における線量限度等を定めた告示に記載された放射性核種のうち原子炉施設に係わる核種に起因する放射能の評価に必要となる311核種(親核種数)を網羅する放射化断面積データベースを開発しました。このデータベースは、収録核種数の拡充だけでなく、炭素14の生成で重要な炭素13の中性子捕獲断面積データ(図1)等、既に存在したデータについても、最新の理論・実験的知見を反映することで、データの品質を高めています。
 データベースの充実により、原子炉の構造材、コンクリート遮へい体の成分だけでなく、ハフニウム等の制御棒材料や鉛、ビスマス等の放射線遮へい材などの放射能インベントリ評価(図2、3)にも利用でき、原子炉施設の他、陽子や電子線加速器施設において発生した中性子による構造材等の放射能インベントリ評価へ広く利用されることが期待されます。

図1 炭素13(天然同位体存在比は約1%)の中性子捕獲反応により炭素14(半減期5730年)が生成される断面積。JENDL/A-96と比較すると、最新知見を反映することにより熱中性子捕獲断面積は約10%大きくなるとともに、高速中性子領域の実験データの再現性が大幅に向上している様子が示されています。炭素はコンクリートや炭素鋼に比較的多く含まれる重要核種です。
図2 ハフニウム177(天然同位体存在比は約19%)の中性子捕獲反応により生成されるハフニウム178の全生成断面積(基底状態と核異性体状態を生成する和、totと記載)と核異性体状態(178mHf、半減期31年)が生成される断面積(msと記載)。ハフニウム178の基底状態は安定ですが、核異性体状態の178mHfは長寿命の放射性核種のため、ハフニウムを多く含む制御棒材料の放射能評価での利用が期待されます。
図3 ビスマス209の捕獲反応により生成されるビスマス210の全生成断面積(上図)と核異性体状態(210mBi、半減期304万年)が生成される断面積(下図)。核異性体状態の実験値の再現性が大幅に向上している様子が示されています。基底状態(210gBi、半減期5日)が生成される断面積は両者の差で計算できます。210gBiはベータ崩壊を起こし、毒性の高いα線放出核種のポロニウム210(210Po、半減期138日)を生成する核種です。ビスマスは核変換施設における陽子線ターゲットの材料として利用が計画されており、これらの放射能評価への利用が期待されます。



【用語解説】
放射能インベントリ
運転を終了した原子力発電所の機器や構造物には放射能が存在します。放射能インベントリとは、放射能の残存量のこと。その評価は、解体方式の決定、解体作業に伴う被ばく量の推定、 解体計画の策定、放射性廃棄物の処理処分に係る検討など、廃止措置の全ての工程で重要です。
核データ
原子核に関する様々な性質を表す物理量の総称。代表的なものに、中性子と原子核の反応確率である中性子反応断面積や、原子核の寿命など核構造データがあります。
JENDL
日本の標準として利用できる評価済み核データライブラリのこと。利用目的を特定しない汎用ライブラリと、特殊な目的毎に開発する専用データベースがあります。汎用ライブラリは、 原子力のエネルギー分野を主たる対象として、原子炉設計解析をはじめとする、種々の分野で必要となる中性子入射反応断面積、放出粒子のエネルギー分布等のデータを纏めたもので、 計算機可読の形で用意されています。今回の放射化断面積データベース「JENDL/AD-2017」は、特殊目的データベースの一つとして開発されたものです。
放射化断面積
物質に入射した中性子やガンマ線などの放射線が物質中の原子核と相互作用を行い、物質を放射化する確率を表す物理量。この確率は「断面積」(cross section)と呼ばれます。 中性子は電荷を持たず、荷電粒子に比べて容易に物質中の原子核を放射化させるので、放射化断面積という用語は主に中性子に対して用いられます。
核異性体
アイソマーとも呼ばれます。同じ原子番号と質量数をもった原子核でも、異なったエネルギー状態をもつことができます。高いエネルギー状態(励起状態)のものは、通常極めて短い半減期ですが、 中には長い半減期の励起状態も存在し、一種の放射性核種として扱われる場合があります。そのような励起状態にある原子核を核異性体といいます。励起状態が準安定状態であることを表すために、 質量数に添字mを付けて区別します。
中性子捕獲反応
中性子が原子核に捕獲吸収されて、γ線を放出する核反応のこと。中性子を捕獲した原子核は質量数が1だけ増し、原子番号は変わりません。中性子捕獲によって原子核は放射性核種になることが多くあります。 例えば、炭素の安定同位体であるC-13が中性子を捕獲すると、半減期5730年の同位体C-14が生成します。中性子捕獲反応の起こる確率(断面積)は、中性子のエネルギーに大きく依存します。 近年、東海村に設置された大強度陽子加速器施設J-PARCで発生するパルス中性子を用いた中性子捕獲断面積の測定研究が、中性子核反応測定装置ANNRIを用いて進められている。
中性子のエネルギースペクトル
中性子のエネルギーに対する中性子束の分布を指します。核分裂によって発生する中性子のエネルギースペクトルは、中性子エネルギー約1MeVにピークを持ちますが、原子炉の減速材や構造材との 散乱などによりそのエネルギースペクトルは低エネルギー側にシフトしていきます。このため、廃棄物の部位ごとに放射化量を精度よく評価するにあたり、中性子エネルギー毎に整備した放射化断面積 の活用が期待されます。
廃止措置
使わなくなった原子力施設から放射能を取り除き、その後、専用の機械や一般のクレーンやパワーショベルなどを使って安全に解体すること。原子力施設の解体時には、放射化量や線量評価が必要となります。 そのもととなるのが、放射性核種の生成量評価(放射能インベントリ評価)で、実測の他、計算により行われます。この計算の基盤データとなるのが、放射化断面積データベースです。

<学会標準における定義>
廃止措置とは「原子力施設に残存している放射性物質による周辺公衆への放射線被ばくのリスクを安全で合理的なレベルまで低減する行為」であり、その行為は以下のとおりとする。

▪ 原子炉施設の解体
▪ その保有する核燃料物質の譲渡し
▪ 核燃料物質による汚染の除去
▪ 核燃料物質によって汚染された物の廃棄
▪ その他の措置

Modified at 2018/06/11 19:22 [JST]

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