[論文レビュー] Neutron shielding for particle astrophysics experiments

J. E. McMillan|ArXiv.org|Oct 20, 2005

Nuclear Physics and Applications参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、粒子宇宙物理学実験における中性子遮蔽に向けた低コストの水素含有材料を評価しており、主に未加工のポリマー粒子とウォーターエクステンデッドポリエステル（WEP）に焦点を当てる。WEPにポリプロピレン粒子を混合することで、PMMAと同等の遮蔽性能を示す低コストで荷重耐性のある複合材料が得られ、大規模な中性子遮蔽に実用的でスケーラブルな解決策を提供する。

ABSTRACT

Particle astrophysics experiments often require large volume neutron shields which are formed from hydrogenous material. This note reviews some of the available materials in an attempt to find the most cost effective solution. Raw polymer pellets and Water Extended Polyester (WEP) ae discussed in detail. Suppliers for some materials are given.

研究の動機と目的

• 粒子宇宙物理学実験における低コストで大規模な中性子遮蔽材料の特定を目的とする。
• 高価な押出成形スラブの代替として、未加工のポリマー粒子とウォーターエクステンデッドポリエステル（WEP）の実用性を評価することを目的とする。
• WEPとポリプロピレン粒子を用いた低コストで荷重耐性のある遮蔽複合材料の開発を目的とする。
• WEPがボロンやリチウム化合物などの中性子捕獲性無機物質と相性が良いかを評価することを目的とする。
• 実験的遮蔽システムにおける材料選定、調達、加工に関する実用的ガイダンスを提供することを目的とする。

提案手法

• 2002/03時点の英国のサプライヤーからの水素含有遮蔽材料（ポリエチレン、ポリプロピレン、パラフィン、WEPなど）の原材料コストを比較する。
• アルビス社などから入手可能な未加工のバーミン・ポリマー粒子（例：Albis）を、押出成形スラブの代替として低コストな選択肢として提案し、単価が最低で£0.48/kgまで低下することを指摘する。
• クリスティック1381PA樹脂に水を混合し、メチルエチルケトンパーオキサイド触媒を用いて硬化させる方法によりWEPを製造する手順を記述する。
• WEPにポリプロピレン粒子を混合して充填密度を向上させ、荷重耐性のある遮蔽体を形成する複合材料の作成法を提案する。
• 中性子吸収性無機物質（例：ホウ酸ナトリウム、炭酸リチウム）をWEPマトリックスにブレンドする手順を提示し、硬化工程に支障をきたさないよう配慮する。
• スタイレーンモノマーの発生を考慮し、混合作業は屋外または十分な換気の確保された場所で行うことを推奨する。硬化は所定の比率で行い、約15分で完了する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子宇宙物理学実験における大規模な中性子遮蔽に最適な水素含有材料は何か？
• RQ2 未加工のポリマー粒子は、中性子遮蔽において押出成形ポリマー板の代替として効果的に使用可能か？
• RQ3 WEPの遮蔽性能は、PMMAやポリエチレンといった標準的な材料と比べてどうか？
• RQ4 WEPにボロンやリチウム化合物などの中性子捕獲性無機物質を効果的にブレンドできるか？硬化性や構造的整合性に悪影響を及えないか？
• RQ5 WEPおよび粒子複合材料を実際の実験装置に適用する際の実用的加工課題とコストインパクトは何か？

主な発見

• アルビス社の未加工ポリプロピレン粒子は1kgあたり£0.48であり、押出成形ポリエチレンスラブの3～4倍安価であるため、遮蔽用途において非常にコスト効率が良い選択肢である。
• WEPにポリプロピレン粒子を混合した複合材料は、コンクリートに似た固体で、荷重耐性があり、純粋なWEPやスラブ材料よりも著しく安価である。
• 最小限のプロセス制御でも生産中に空気の閉じ込めがほとんど見られず、良好な作業性を示した。
• WEPはホウ酸ナトリウム（£1.63/kg）や炭酸リチウム（£9.08/kg）などの中性子吸収性無機物質と効果的にブレンド可能であり、硬化性や安定性に悪影響を及えないことが確認された。
• 適切な割合で触媒と樹脂を使用すれば、WEPの硬化は約15分で完了し、完全な重合後は臭気を発しなくなり、安定した状態になる。
• WEPに無機物質を封入する手法は、米国エネルギー省（DOE）の研究でも放射性廃棄物の封入に有効であると確認されており、長期的な耐久性と遮蔽用途への適性が裏付けられている。