[論文レビュー] Activation and radiation damage in the environment of hadron accelerators

D. Kiselev|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Nuclear Physics and Applications参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、粒子加速器における高エネルギーハドロンビームにさらされた材料の放射線活性化と放射線損傷の相互関連する現象を調査している。本稿は、両者の物理的メカニズムを詳細に説明し、ラジオニクライドインventoriesの計算手法を提示し、原子当たりの格子振動数（dpa）を用いて放射線損傷を定量的に評価するとともに、予測値と実験データを比較し、加速器の安全性、部品の寿命、廃棄物管理に関する重要な知見を提供している。

ABSTRACT

A component which suffers radiation damage usually also becomes radioactive, since the source of activation and radiation damage is the interaction of the material with particles from an accelerator or with reaction products. However, the underlying mechanisms of the two phenomena are different. These mechanisms are described here. Activation and radiation damage can have far-reaching consequences. Components such as targets, collimators, and beam dumps are the first candidates for failure as a result of radiation damage. This means that they have to be replaced or repaired. This takes time, during which personnel accumulate dose. If the dose to personnel at work would exceed permitted limits, remote handling becomes necessary. The remaining material has to be disposed of as radioactive waste, for which an elaborate procedure acceptable to the authorities is required. One of the requirements of the authorities is a complete nuclide inventory. The methods used for calculation of such inventories are presented, and the results are compared with measured data. In the second part of the paper, the effect of radiation damage on material properties is described. The mechanism of damage to a material due to irradiation is described. The amount of radiation damage is quantified in terms of displacements per atom. Its calculation and deficiencies in explaining and predicting the changes in mechanical and thermal material properties are discussed, and examples are given.

研究の動機と目的

• 加速器部品における放射線活性化および放射線損傷の背後にある物理的メカニズムを理解すること。
• 原子当たりの格子振動数（dpa）を用いた放射線損傷の定量と、材料特性の変化を予測する際のその限界を評価すること。
• 規制適合を満たすために、活性化材料内のラジオニクライドインベントリを計算する手法の開発および検証すること。
• ビームダンプ、コリメータ、ターゲットなどの重要な部品に及ぼされる放射線損傷の影響を分析すること。
• 遠隔取扱いおよび放射性廃棄物処理手順のためのデータを提供することで、安全な運用および解体作業を支援すること。

提案手法

• 原子当たりの格子振動数（dpa）として定量化される、格子振動カスケードメカニズムによる放射線損傷のモデリング。
• 粒子輸送コード（例：FLUKA、MCNP）を用いて粒子相互作用をシミュレートし、活性化レベルを予測すること。
• 加速器施設からの測定データを用いて、計算されたラジオニクライドインベントリを検証すること。
• 放射線照射下における材料の機械的および熱的特性の変化を分析し、dpa値と相関関係を調べること。
• 理論的dpa予測値と実験的キャンペーンで観察された材料劣化を比較すること。
• CERNイエローレポートフレームワークを用いて、活性化および損傷データの標準化されたレポートを実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加速器部品における放射線活性化および放射線損傷の主な物理的メカニズムは何か？
• RQ2 dpa値は、放射線照射下での材料の機械的および熱的特性の変化をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 活性化部品の信頼性の高いラジオニクライドインベントリを算出するための手法は何か？また、実験測定値とどのように比較されるか？
• RQ4 放射線誘発的な変化は、ビームダンプやコリメータなどの重要な加速器部品の寿命および信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 活性化および損傷の影響は、作業員の被ばく線量、遠隔取扱い、および放射性廃棄物処理にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 放射線損傷と活性化は、別個の現象ではあるが、両者とも材料内での粒子相互作用によって引き起こされる相互関連する現象である。
• 原子当たりの格子振動数（dpa）は、放射線損傷を定量するための広く用いられる指標ではあるが、マクロな特性変化を予測する上で限界を有する。
• 活性化部品の計算されたラジオニクライドインベントリは、測定データと良好に一致しており、シミュレーションモデルの妥当性が裏付けられている。
• ビームダンプやコリメータなどの重要な部品は、放射線損傷に対して特に感受性が高く、頻繁な交換または修理が求められる。
• 放射線損傷は、特に高dpaレベルにおいて、せん断破壊性の増大や熱伝導率の低下を含む顕著な材料特性の劣化を引き起こす。
• 作業員の被ばく線量制限に近づくと、遠隔取扱いや規制された廃棄物処理の必要性が生じるため、正確な活性化予測の重要性が強調される。