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新たな中性子利用開拓の鍵となる高精度核反応計算手法を開発

―計算結果を基礎科学や医療等での中性子利用に資するデータベースとして公開―

ポイント

● 基礎科学や医療等の分野で新たな中性子利用の検討が進められており、従来の中性子源では得られない高エネルギーの中性子が必要とされています。これに対し、陽子1つと中性子1つからなる「重陽子」が引き起こす核反応により中性子を得る方法が注目されていますが、この核反応から発生する中性子の量を広範な条件で精度良く予測することは困難でした。
● そこで、従来の予測手法では十分に取り入れられていなかった重陽子が持つ量子力学的性質に着目し、この性質を考慮した複数の理論モデルを組み合わせて、重陽子による核反応から生じる中性子量を予測する新たな計算手法を開発しました。実測値との比較から、従来の予測手法と比べ4倍以上の高精度化が達成されていることを確認しました。
● 本計算手法による予測値を中性子源の設計に用いられるシミュレーションソフトウェアで利用できる形にまとめ、核反応データベース JENDL/DEU-2020 として整備し、公開しました。
● JENDL/DEU-2020 を利用することで、シミュレーションの信頼性が大きく高まります。これにより利用目的に応じた様々な中性子源の検討・設計・運転が容易になり、原子核物理実験や医療用放射性物質の製造等の幅広い分野において新たな中性子利用の促進が期待されます。

概要

 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄)原子力基礎工学研究センターの中山梓介研究員と岩本修グループリーダー、国立大学法人九州大学(総長 石橋達朗)大学院総合理工学研究院の渡辺幸信教授、国立大学法人大阪大学(総長 西尾章治郎)核物理研究センターの緒方一介准教授は、重陽子1)による核反応からの中性子発生量を高精度に予測する計算手法を開発しました。また、その予測値を基に中性子源2)の設計のための核反応データベース3)JENDL/DEU-20204)を整備し、公開しました。
 原子核物理実験における不安定原子核ビーム生成や医療用放射性物質の製造、また、核融合炉内での使用が想定される材料の試験などにおいて、10MeV5)を超えるエネルギーをもった中性子が大量に必要とされはじめています。しかし、原子炉などを用いた従来の中性子源では、この要求を満足する中性子を供給することはできませんでした。そこで、新たな中性子源として、重陽子による核反応を利用したものが注目されています。これは、加速器で発生させた重陽子をリチウムなどに衝突させ、そこで起きる核反応から高エネルギーの中性子を得るという手法です。
 利用目的に応じた様々な仕様の中性子源を設計し、性能を検討するには、重陽子による核反応から発生する中性子の量を様々な条件(衝突させる重陽子のエネルギー、標的となる原子核の種類など)で精度良く予測できなければなりません。しかし、従来の予測手法では広範な条件での信頼性の高い予測ができませんでした。これは、重陽子が持つ量子力学的な「波」としての性質を十分に取り入れておらず、重陽子が陽子と中性子に分解する過程を適切に計算できていなかったためです。
 本研究では量子力学的効果を考慮した複数の理論モデルを組み合わせることで、重陽子による核反応から生じる中性子量を予測する新たな計算手法を開発しました。実測値との比較から、開発した手法は従来の予測手法よりも中性子発生量の予測精度が4倍以上向上していることが確認されました。さらに、本手法による予測値を中性子源の設計に用いられるシミュレーションソフトウェアで利用できるデータベースの形にまとめ、JENDL/DEU-2020として整備し、公開しました。
 JENDL/DEU-2020を使用することで、シミュレーションの信頼性が大きく高まります。これによって、利用目的に応じた様々な中性子源を検討・設計・運転することが容易になり、基礎科学や材料開発、医療など幅広い分野における中性子利用の促進が期待されます。また、JENDL/DEU-2020は国際原子力機関(IAEA)が主導する国際プロジェクトでも高く評価されており、核反応データベースFENDL6)への採用が予定されています。

 JENDL/DEU-2020は以下のホームページから2021年2月10日に公開しました。
 https://wwwndc.jaea.go.jp/index_J.html

 本研究成果は、日本原子力学会英文論文誌「Journal of Nuclear Science and Technology」に2021年2月10日付でオンライン掲載されました。

詳細

こちらをご参照ください。

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