[論文レビュー] HighNESS Conceptual Design Report: Volume I

V. Santoro, Omar Abou El Kheir+88 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Nuclear Physics and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、欧州スパルセーションソース（ESS）における高強度中性子源であるHighNESSの概念設計を提示している。液体重水素モダレーターを用いて、冷たい、非常に冷たい、超冷たい中性子を生成する。設計は、より長い波長と高い強度を最適化しており、先進的な中性子散乱および中性子-反中性子振動（NNBAR）の高感度探索を可能にし、中性子工学分野で世界をリードする性能を発揮するとともに、新しい計測器概念の支援も可能である。

ABSTRACT

The European Spallation Source, currently under construction in Lund, Sweden, is a multidisciplinary international laboratory. Once completed to full specifications, it will operate the world's most powerful pulsed neutron source. Supported by a 3 million Euro Research and Innovation Action within the EU Horizon 2020 program, a design study (HighNESS) has been completed to develop a second neutron source located below the spallation target. Compared to the first source, designed for high cold and thermal brightness, the new source has been optimized to deliver higher intensity, and a shift to longer wavelengths in the spectral regions of cold (CN, 2--20\,Å), very cold (VCN, 10--120\,Å), and ultracold (UCN, ${>}\,{500}$\,Å) neutrons. The second source comprises a large liquid deuterium moderator designed to produce CN and support secondary VCN and UCN sources. Various options have been explored in the proposed designs, aiming for world-leading performance in neutronics. These designs will enable the development of several new instrument concepts and facilitate the implementation of a high-sensitivity neutron-antineutron oscillation experiment (NNBAR). This document serves as the Conceptual Design Report for the HighNESS project, representing its final deliverable.

研究の動機と目的

• 2–120 Åの長波長領域（冷たい、非常に冷たい、超冷たい領域）における高強度および長波長の中性子を最適化した、欧州スパルセーションソース（ESS）における第二の中性子源の設計。
• 次世代の中性子散乱計測器の実現および中性子-反中性子振動を探索するNNBAR実験の支援。
• 2 MWで動作可能であり、将来的に5 MWにアップグレード可能な高性能な液体重水素モダレーター系の開発。
• 非常に冷たいおよび超冷たい中性子の生成に向け、固体重水素、ナノダイヤモンド、重水素被覆クラタートハイドレートなどの先進的モダレーター材料の検討。
• 高度なモンテカルロシミュレーションに必要な、新しい熱散乱ライブラリおよび断面積測定の開発。

提案手法

• GEANT4およびMCNPを用いたモンテカルロシミュレーションにより、液体および固体重水素モダレーターにおける中性子輸送、減速、反応性のモデル化。
• 高出力下での熱的性能および機械的安定性を向上させるために、簡素化された再entrantホール構造と減少した流量チャネルを有する大型液体重水素モダレーターの設計。
• 重力に逆らって非常に冷たいおよび超冷たい中性子を効率的に誘導・輸送するため、ネストドミラー光学系およびモノプランア反射板の検討。
• 中性子出力の最大化を目的とした、性能指標（FOM）および効率指標を用いた中性子工学的最適化。
• プロトタイプ作成および検証のため、ブダペストのCMTFおよびユーリッヒのBig Karlといった既存の試験施設との統合を提案。
• モダレーター性能に関連する材料特性をモデル化するため、密度汎関数理論（DFT）および振動状態密度（VDOS）計算の活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2–5 MWで動作する液体重水素モダレーターの最適な幾何学的形状および熱管理設計は何か。これにより、冷たいおよび非常に冷たい中性子の出力を最大限に高められるか。
• RQ2 高い重力環境下で、高度なミラー光学系を用いて非常に冷たいおよび超冷たい中性子を効率的に輸送・集光することは可能か。
• RQ3 メガワットレベルのパワー密度下での固体重水素モダレーターの性能限界および工学的課題は何か。
• RQ4 ナノダイヤモンドおよび重水素被覆クラタートハイドレートといった新素材は、超冷たい中性子源における中性子生成効率でどのように比較されるか。
• RQ5 新しいモダレーター材料における中性子減速を正確にシミュレートするには、どのような断面積データおよび熱散乱ライブラリが必要か。

主な発見

• 中性子工学分野で世界をリードする性能を達成した概念設計であり、最適化された液体重水素モダレーターの幾何学的形状により、2 MWでの高強度冷たい中性子ビームの実現が可能である。
• ネストドミラー光学系およびモノプランア反射板を用いた手法が、非常に冷たい中性子を最小限の損失で長距離にわたり誘導できる可能性を示した。
• 流量チャネルを減らし、再entrantホール構造を採用した簡素化されたモダレーター容器設計により、高出力下での熱的安定性が向上し、機械的応力が低減された。
• 中性子-反中性子振動の稀な現象を検出可能にするために不可欠な、非常に冷たい中性子の高強度供給を可能にするため、NNBAR実験を支援する。
• 予備的なシミュレーションでは、固体重水素およびナノダイヤモンドベースのモダレーターが超冷たい中性子源を実現可能であると示唆されたが、高出力運用に向けた大規模な研究開発(R&D)が依然として必要である。
• 固体重水素（5 K）および1 K未満の超流動ヘリウムにおける材料を対象として、計算と実験的検証を組み合わせた、熱散乱ライブラリの妥当なプロセスを確立した。