JT-60U第９回若手科学者によるプラズマ研究会

｢燃焼プラズマに向けた計測と制御｣

日本原子力研究開発機構那珂核融合研究所

平成18年3月15日(水)～3月17日(金)

JT-60におけるマイクロフィッションチャンバーを用いた中性子発生率測定

林孝夫、西谷健夫、石川正男、篠原孝司、森岡篤彦

日本原子力研究開発機構

Contents JT-60U

♦背景・目的

♦ マイクロフィッションチャンバー(MFC)概略図

♦ ITERへの導入予定

♦ ITERの中性子モニタに対する要求

♦ JT-60Uへの設置

♦ Cf-252中性子源を用いた絶対較正

♦ JT-60U重水素プラズマの中性子計測

♦ まとめ

-2-

背景 JT-60U

• DDおよびDT反応を用いた核融合装置においては、中性子発生率の測定は核融合出力を評価する上で非常に重要である

• JT-60U, JETなどの大型トカマクでは、中性子発生率の計測は真空容器の外側に設置された235Uや238Uのフィッションチャンバー(核分裂電離箱)を用いて行われている

⇒真空容器周辺の計測装置や加熱装置などの設置・改造などにより、中性子検出器の検出効率が変化する

⇒ その結果、中性子源を用いた「その場較正」が頻繁に行う必要がある

• ITERでは厚いブランケットや真空容器があり、真空容器の外側に設置した検出器では十分な精度が得られない可能性がある

⇓

原研では、ITERの中性子モニタとして真空容器内に設置可能なマイクロフィッションチャンバー(小型核分裂電離箱)を開発した。

-3-

目的 JT-60U• ITERではマイクロフィッションチャンバー(MFC)は真空容器内に設置予定

•検出器～前置増幅器(プリアンプ)間のケーブルが長い

⇒ 検討項目

⇓

–磁場の影響(トロイダル磁場コイルの内側に設置)

– プラズマディスラプションの影響

– プラズマや周辺装置からの電磁ノイズ

強磁場中で実際のプラズマの中性子計測を、初めてマイクロフィッションチャンバーを用いて行った

• MFCはJT-60Uのトロイダル磁場コイルと真空容器の間に設置

•既存の中性子モニタの測定結果と比較することにより、MFCのITERにおける有用性を実証する

-4-

200mm

Fissile material(UO2)Cathode Ionizing gas(Ar+5%N2)[14.6atm]

Anode

Electric insulator(Al2O3)Housing(SUS)

φ14m

m

MI cable

ConnectorVacuum flange for ITER Gas feeder tubeMI cable

Electric insulator(SiO2)

♦UO2：12 mg

-面密度: 0.6 mg/cm2

- 235U 濃縮度: 90%

♦検出器内部の充填ガス:Ar + 5%N2 gas at 14.6atm.

マイクロフィッションチャンバー(MFC)概略図

Gap : 0.5 mm Voltage: 200 V

200mmφ14mm

200mmφ14mm

MFC: 長い円筒形

-5-To be installed in the vacuum vessel of ITER.

5000mm

JT-60U

ITERへの導入予定

•ポロイダル方向

#11および#16ブランケット背面に235U マイクロフィッションチャンバーとダミー検出器

Magnetic center of Plasma

Micro fission chambers

⇓

Arrangement of micro fission chambers on the poloidal cross-section of ITER.

を設置予定

JT-60U

• トロイダル方向

2箇所に設置予定

核分裂物質の入っていない検出器で、ガンマ線やノイズの影響を調べるために設置する

♦運転中の検出効率の変化

ITER運転期間(1.5 GW yr)で、検出感度の変化は≦0.1%

-6-

ITERにおける中性子モニタ• ITERの中性子モニタに対する要求

–中性子発生率の測定範囲: 1014 – 1021 neutrons/s

–時間分解能: 1 ms

–精度: ≦10%

⇓

JT-60U

MFCの増幅器は、広いダイナミックレンジと高時間分解能を満たすために、

以下の2つのモードを採用

-パルスモード(Pulse counting mode)

⇒中性子発生率が小さいときに、個々の信号を計数

- 2乗平均電圧モード (mean square voltage mode, MSVモード)[キャンベルモード(Campbelling mode)とも呼ばれる]

⇒ ・2乗平均電圧モードはガンマ線に対する感度が低く、ノイズ軽減に有効

・ゲインを調整することにより、広いダイナミックレンジに対応

-7-

JT-60UへのMFCの導入

♦最大中性子束 : Total neutron : 2.6 x 1010 , >0.1MeV : 6.5 x 109 (n/cm2/sec)

-8-

• ポリエチレンブロック :

減速材, 電気絶縁材として利用

45~65

100

ポリエチレンブロックMFC

32

20~40 220(Unit : mm)

ステンレス鋼: t = 1

Arrangement of micro fission chamber on the poloidal cross-section of JT-60U.

JT-60UMFCはJT-60Uのトロイダル磁場コイルと真空容器の間に設置

♦周辺温度 : < 40 ºC –ポリエチレンブロックは真空容器(150 - 300 ºCベーキング)から、約15cm離れている。

検出器の位置における磁場の強さ

3.3

3.1

2.9

2.7

2.5

2.3

2.1

1.9

1.7

|B| (T)

Vacuum vessel

Toroidal coils

• TF coils : 52 kA x 72 turns x 18 sections

Br = -0.304 T

r

θz

Bz = -4.37 x 10-3 T

Bθ = -2.1 T

|B| = 2.13 T

Calculation result of the magnetic field by TF coils

ポロイダルコイルとプラズマ電流により生じるポロイダル磁場はトロイダル磁場の20%以下

⇓

Micro fission chamber

トロイダルコイルにより生じるMFCの検出器の中心の磁場の強さ

• Calculated by EM Solution

JT-60U

-9-

MFCの位置の主な磁場は~2Tのトロイダル磁場

JT-60U

#1,2

#3,4#5,6 #7,8

#9,10#11,12#13,14

T-NBI

N-NBI

P-NBIP-NBI

P-NBI

P-NBI P-NBIT-NBI

JT-60Uの中性子モニタ用フィッションチャンバー

Top view of JT-60U

• フィッションチャンバーの設置状況

– 235U-FC と 238U-FCが3セット.

–ポートセクション: P-3,P-7,P-13

– トロイダル磁場コイルの外側に設置

– トロイダル磁場コイルの内側に設置

• マイクロフィッションチャンバー

–ポートセクション: P-9238U-FC1235U-FC1

238U-FC2235U-FC2

238U-FC3235U-FC3

• MFCの中性子計測結果は一番近くにある中性子モニタ(P-7 FC)の結果と比較検討する。

P-3

P-7

P-13

JT-60U

-10-

TFC

Point efficiencies of P-9 MFC and P-7 FC

Line efficiency；

P-9 MFC : P-7 FC = 5.38 x 10-9(n/s) : 1.78 x 10-8(n/s) ～ 0.30 : 1

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

Toroidal angle from the port center (degrees）

Point efficiency

'90) P7 U5 * 0.3

MFC

JT-60UMFCの絶対較正(応答関数評価)

-11-

JT-60UにおけるMFCの測定結果[1/2]

• MFCの測定結果はP-7 FCとの放電中の出力波形は近似

•計測に対する、磁場(~2T)の影響は無かった

• プラズマディスラプション時(5.605 s)にノイズ信号はしなかった発生しなかった

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2 3 4 5 6 7Time(s)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2 3 4 5 6 7Time(s)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2 3 4 5 6 7Time(s)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2 3 4 5 6 7Time(s)

Neu

tron

yiel

d (1

015

n/s)

E43146

0.02.0

0

5

10

15

20

2 3 4 5 6 7Time(s)

0.00.20.40.60.81.0

0

5

10

15

20

2 3 4 5 6 7Time(s)

0.00.20.40.60.81.00.0

20

P-NBI

IP

PN

BI(M

W)

I P(M

A)

Micro fission chamber

235U Fission chamber

JT-60U

-12-

ディスラプション時の中性子発生率の時定数

0.0E+00

5.0E+14

1.0E+15

1.5E+15

2.0E+15

5.59 5.6 5.61 5.62 5.63Time(s)

Neu

tron

emis

sion

rate

(n/s

)N

eutro

n yi

eld

mea

sure

d by

MFC Disruption at 5.605s

Time constant=1.71ms

E43146

Time constant at disruption on JT-60U

Time constant of measurement of 14MeV neutron pulse on FNS.

• 1msのパルス中性子(FNS)に対する中性子計測信号の時定数：0.98 ms • プラズマディスラプション時の中性子計測

信号の時定数：1.71ms

Time constant=0.98ms

Neutron pulse(1ms)

-2 -1 0 1 2 3 4 5Time(ms)

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

MS

V(V

2 )JT-60U

-13-

NBIのブレークダウン時にノイズ信号が観測された

→検出器とプリアンプ間の長い信号ケーブルが原因か?

5メートルのMIケーブルと10メートルの同軸ケーブル

Twenty units of NBI ware injected in this pulse. (PNB#2,3,4,6,7,8,9,10,12,13,14 and N-NBI)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

02468

101214

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

0.00.20.40.60.81.01.2

02468

101214

0 5 10 15 20 25 30Time(s)

0.00.20.40.60.81.01.2

Neu

tron

yiel

d (1

015

n/s)

E43118

0.01.5 Micro fission chamber

235U Fission chamber

0.014

PN

BI(M

W)

I P(M

A)

P-NBI

N-NBI

IP

JT-60UNBIのブレークダウン時のノイズ信号

-14-

P-9 MFCとP-7の線形性

• NBIブレークダウン時のノイズ信号を除くと、3桁以上にわたってMFCとP-7 FCは良い線形性を示した

JT-60U

•計測器の時定数MFC: 1ms

P-7 FC: 5ms

MFCの出力は5 ms分を平均して比較

1E+12

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

1E+12 1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

Neutron yield measured by U235-FC2

Neu

tron

yiel

d m

easu

red

by M

FC

E43073E43013E42978E42972

Neutron yield measured by 235U fission chamber

Neu

tron

yiel

d m

easu

red

by

mic

ro fi

ssio

n ch

ambe

r

1012 1013 1014 1015 1016 1017

1012

1013

1014

1015

1016

1017

σ = 3%

⇓

•磁場中の電気回路の安定性なども含めて標準偏差は約3%

-15-

まとめ JT-60U

マイクロフィッションチャンバーをJT-60Uのトロイダル磁場コイルの内側に設置し、約2Tの磁場中での中性子モニタとしての有用性を検証した

•磁場およびプラズマディスラプション時の計測に対する影響は無かった

• 3桁以上にわたってM-9 MFCとP-7 FCは良い線形性を示した(標準偏差~3%)

•今回のJT-60Uにおける測定では、最大中性子発生量は 1.3 x 1016 neutrons/sであったが、電気回路的には余裕があり、ITERの広いダイナミックレンジにも対応可能。

•検出器とプリアンプ間の長い信号ケーブルに起因すると考えられる、ノイズ信号がNBIブレークダウン時に発生した。

⇓

-16-

ノイズ対策の強化によりMFCはITERの中性子モニタとして利用可能

JT-60U

参考資料

電流モード

中性子発生率(neutron/sec)の測定レンジの目安

プリアンプ

総合アンプ

低圧電源

1017-1019n/s

1012-1015n/s

1015-1017n/s

パルスモード

H-gain

M-gain

1019-1021n/sL-gain

MFC キャンベル法

中性子発生率[neutron/s]

a+b・V2+c・V4+d・V6

η=

V =V0-Vbase(ドリフト補正)

V0 :総合アンプからの出力

a-d:補正係数

η :検出効率

-Appendix 1-

• Compared with the range of neutron measurements on JT-60U, the micro fission chamber can cover the higher range than the neutron source strength in 1.5 GW ITER plasmas.

Measurement range of the micro fission chamber JT-60U

The amplifier used high and middle gain outputs in this measurement on JT-60U.

• Pulse counting mode

• Campbelling mode

– high gain

– middle gain

– low gain⇓

1013 ~ 1.3 x 1016 noutrons/s (neutron source strength)

The micro fission chamber

Total neutron flux : 2.4 x 1010 neutrons/cm2/sone-dimensional transport code, ANISN with FUSION-40

At the behind blanket module in a 1.5 GW plasma in ITER

Total neutron flux : 9.0 x 1011 neutrons/cm2/s

>0.1 MeV : 6.0 x 109 neutrons/cm2/s ⇓

Measurement two decades higher of neutron flux range.

JT-60U

ITER

-Appendix 2-

Development of in-vessel neutron monitor JT-60UThe following performance were already tested.

• Test for vacuum leaks from MI cable at room temperature. ⇒ 1 x 10-8 cc/s (Helium)

• Acceleration test for mechanical shocks. The acceleration for 30ms reached 50G at maximum. ⇒ No change appeared in the output signals.

• Test for resistance between the center conductor and the outer sheath in the range from 20°C ~ 350°C. ⇒ The change of measured resistance are within acceptable range.

• Response tests under 14MeV neutrons at the Fusion neutron source (FNS) of JAERI-Tokai. ⇒ An excellent linearity is observed up to the neutron yield of about 3 x 1011n/s.

• Response for gamma rays. The dummy chamber was irradiated at the 60Co gamma ray irradiation facility of JAERI-Takasaki.(4.7Gy/s,19.1h)⇒ Compared with the sensitivity for neutrons, gamma ray sensitivity was

estimated to be less than 0.1%.-Appendix 3-

7x 1014 (n/s)

E45371

P-7 FCに対するMFCの電流モードの較正結果(a)H-gain, (b)M-gain

近似曲線の１次の係数(各表のM1の値)が図3(Cf-252中性子源を用いたパルスモード測定)で算出した値(0.30)とほぼ等しい。

(a) (b)

0.1

1

10

100

0.1 1 10 100

MFC-H

V^2[MFC-Hgain]

V^2[P7U5-Hgain]

Y = M0 + M1*x + ... M8*x8 + M9*x9

0.0058815M0

0.28552M1

0.00027225M2

-3.6658e-07M3

0.99784R

0.01

0.1

1

10

0.01 0.1 1 10

MFC-M

V^2[MFC-Mgain]

V^2[P7U5-Mgain]

Y = M0 + M1*x + ... M8*x8 + M9*x9

-0.0019175M0

0.28952M1

0.024185M2

-0.0049042M3

0.99349R

1.8 x 1015 (n/s)

-Appendix 4-