広報活動

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2016年9月30日

理化学研究所
高エネルギー加速器研究機構
科学技術振興機構(JST)
内閣府政策統括官(科学技術・イノベーション担当)

イオン用超伝導加速空洞の高加速電圧試験に成功

-大強度イオンビームのより効率的な加速を可能に-

今回設計した超伝導加速空洞の断面図

今回設計した超伝導加速空洞の断面図

原子力発電所における使用済み核燃料の再処理過程で生成する放射線量の高い廃棄物は、高レベル放射性廃棄物と呼ばれ、半減期の長い放射性同位体(長寿命核分裂生成物)が含まれています。現在、長寿命核分裂生成物を、陽子や重陽子などの「大強度イオンビーム」を用いて人工的に核変換させ、リサイクルして資源化する方法の研究開発が行われています。

そのためには100ミリアンペア(mA)以上の大強度イオンビームを加速しなければなりません。その場合、イオン間の電気的な反発力の影響をできるたけ少なくし、ビームを短時間で加速できるように、高い電圧を発生する「加速空洞」が必要になります。ところが、従来の銅(Cu)を材料にした常伝導加速空洞は、電気抵抗が大きいため、発熱量が大きくなるという問題がありました。このため、電気抵抗の極めて低い、ニオブ(Nb)などの超伝導材料が長らく着目されてきましたが、純Nbを使って加速空洞を作ろうとすると形状が複雑になるため、国内ではまだ実現されていませんでした。

今回、理研を中心とする共同研究グループは、緻密な数値計算、高度なプレス加工技術、電子ビーム溶接技術、表面処理技術を駆使して、純Nb材料を用いた低速イオン用の超伝導加速空洞を設計・作製しました(図参照)。Nbは -269℃の液体ヘリウム(He)により直接冷やされることで超伝導状態になり、電気抵抗が極めて小さくなることに伴い、空洞表面での電流による発熱が非常に小さくなります。共同研究グループは、作製した超伝導加速空洞を高エネルギー加速器研究機構(KEK)内に設置し高電圧実験を行いました。その結果、わずか24Wの電力で1.6MV(1MVは100万V)の高電圧を発生させることに成功しました。これは、ヘリウム冷凍機の冷却効率を考慮に入れても、常伝導加速空洞に比べて 1/100 以下の電力で効率的に高電圧を発生できることを意味しています。

本成果は、本来の目的とする放射性廃棄物の低減化・資源化に資する加速器の実現に加えて、医療用ラジオアイソトープ(RI)の製造や、重粒子線治療用加速器の小型化にもつながると期待できます。

理化学研究所
仁科加速器研究センター 大強度加速技術開発グループ 高効率加速空洞開発チーム
チームリーダー 坂本 成彦 (さかもと なるひこ)