中性子ビームの供給・利用の現状・動向...2269 90 68 164 82152 4245 (1%)...
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1
中性子ビームの供給・利用の現状・動向中性子ビームの供給・利用の現状・動向
日本原子力研究所東海研究所
中性子利用研究センター
藤井保彦、森井幸生
資料2-2
平成17年6月7日
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2
JRR-3における中性子ビーム実験設備1990 完成, 熱出力: 20MW, 熱中性子ビーム強度:3x1014 n/cm2s 最大出力年間運転日数:175 日/年 (25日/サイクル x 7サイクル)中性子散乱装置: 25 台 (原研11台+大学14台)即発γ線分析装置: 2 台 (原研), 中性子ラジオグラフィ装置: 2 台(原研)利用分野: 物理、化学、生物、医学、材料、工学の基礎・応用
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3
JRRJRR--3 3 中性子ビーム実験利用の推移中性子ビーム実験利用の推移
JRR-2運転開始
JRR-3運転開始
JRR-3M運転開始
(人・日)
377
2507 27693199
50926051
69327875
3286
6646
3670
5817 6215
346
2027
3390
4477
8392
8485
8660
9022
4752
10427
7640
994810102
6675
8513
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
1960 1962 1970 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
大学 装置利用
原研 装置利用
8054
10097
2004
原子炉長期停止
原子炉長期停止
(年度)
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4
JRR-3における中性子散乱実験利用の需給日数の推移JRRJRR--33における中性子散乱実験利用の需給日数の推移における中性子散乱実験利用の需給日数の推移
1050 1032 1068 1362 855 11481538 1745 1681
15752100 1782
2100
1235
2418
1664
22122415
16741964
21442002
65336576
4516
5755 5288
6264 6059
6911 68826369
6793
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
大学
実績日数
延べ日数(日)
原研
申請日数
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
年 度
(中性子散乱実験による利用)
01020304050607080
産業利用延べ日数(日)
-
5
ビーム実験利用
照射利用
:所外
:所内
:所外
:所内
158
(3%)
246
(5%)
152
(3%)
1976
2269
9068164
82 152
4245 (1%)
全実験利用実績
4,801日
中性子散乱
化学反応実験中性子即発γ線分析
中性子ラジオグラフィ
2003年度
2004年度
63(4%)
136 (8%)
14(1%)
178
1324
1845
136
1502 (87%)
照射キャプセル数
1,725個
放射化分析
シリコン
照射
RI製造
核物理:1(所内)照射損傷:1(所内) その他:12(所内)
2(所外)
放射化分析
2,093 (82%)
その他24 (1%)
1,820
273
305
91
RIの
製造
104(4%)シリコン
照 射
305(12%)
原子炉燃料・材料20 (1%)
2013
照射キャプセル数
2,546個所
外
所 内
全実験利用実績
6,027日
所
内
2,280
所
外
2,800
90126
350
中性子散乱5,080 (84%)
中性子ラジオグラフィ
216(4%)
中性子即発γ線分析
445(7%)
95
医療照射・特性測定等 73(所内 18 所外 55)その他 31
(所内 12 所外 19)
低温化学実験
182(3%)
31(0.5%)
73(1.5%)
JRR-3 JRR-4における中性子ビーム実験利用及び照射利用
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6
JRR-3における中性子ビーム実験の分野別利用(2004年度)
三菱重工業ひたちなかテクノセンター三菱総合研究所日立製作所発電設備技術検査協会トヨタ自動車石川県工業試験場物質・材料研究機構材料研究所
(残留応力解析・材料構造解析)
産業技術総合研究所
(熱電材料機能解析)
産 業 利 用 企 業 ・ 機 関
0
500
1000
1500
利用日数(
日)
0
50
100
150
200
250
300
テー
マ数(
件)
利用日数 テーマ数
構造 磁性 超伝導 液体・不規則物質
生物 高分子 装置 基礎物理 その他
(生体物質構造解析)
三菱総合研究所
住友化学工業
三菱総合研究所日本製鋼所
(元素分析)
住友化学工業
(高分子構造解析)
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主な技術開発の成果
装置開発
• 中性子イメージングプレート (nIP)とそれを用いた構造生物回折計(BIX)の開発 (原研)
• 中性子スピンエコー装置(NSE)の開発 (広大、物性研)• 中性子スピン干渉計の開発 (京大)• 六重極マグネット中性子収束・偏極デバイスとそれを用いた収束型小角散乱装置(F-SANS)の開発(理研、原研)
• 8台の3軸型中性子分光器の整備 (原研、物性研、東北大)
周辺機器開発
• イオンフラッシングによる高性能スーパーミラー開発 (原研)• 中性子実験用ヘリウムフリー冷凍機の開発 (原研)
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8
主な利用研究の成果
物性科学
• 低次元磁性体の相転移と磁気励起• 強相関電子系物質のスピン-格子ダイナミクス(超伝導、巨大磁気抵抗)• 強誘電体リラクサーのナノ分極領域生物科学
• タンパク質の水素・水和構造解析(BIX)→データベース国際センター (原研)• 植物根成長の非破壊その場観察(中性子ラジオグラフィ・トモグラフィ)高分子科学
• マイクロエマルジョンのスローダイナミクス• ブロック共重合ポリマーの形態産業利用
• 大型構造材料内の残留応力評価(自動車部品、溶接パイプ)• 大型製造物内部構造可視化(エンジン、燃料電池)• 磁性材料・誘電材料・エネルギー材料などの結晶・磁気構造評価• シリコンドーピング(半導体材料)
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9
X線で観た構造
中性子で観た構造
水分子
生物用中性子回折計の開発と
タンパク質の水素・水和構造の研究
中性子検出器:
中性子イメージングプレート(nIP)の開発
入射中性子ビーム:
集光技術の開発
タンパク質・DNAの結晶成長メカニズム解明と結晶性評価;溶解度曲線から最適結晶化条件を絞り込み、中性子実験用の大型で良質の単結晶を合理的に作製する。
試料:
タンパク質結晶育成技術の開発
中性子回折データ
ニワトリ卵白リゾチーム水素・水和構造解析の成功
新村(茨城大/原研)他
BIX-3検出器上の中性子回折パターン
水素・水和水データベース HHDBの構築
中性子回折計BIX-3の開発
創薬への貢献
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低次元磁性体・強相関電子系物質のスピンダイナミクス
1990年代最大のトピックス世界を驚かせたスピン・パイエルス SP 無機物質CuGeO3の発見(内野倉グループ/東大)と
日本グループ主導の組織的・系統的な中性子散乱実験
理想的な原子炉定常中性子と加速器パルス中性子の役割分担
三軸型中性子分光器(JRR-3、左)により観測された磁気分散関係(上)(M. Nishi et al. PR B50 , 6508,1994)
TSP=14K を示す帯磁率(M. Hase et al. PRL 70 ,3651, 1993)
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●
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●
●
●
●
ISISパルス中性子により測定された広範囲な領域での磁気分散関係(M. Araii et al. PRL 77 , 3649,1996)
3軸型中性子分光器の開発
磁気励起の
観測成功
低次元磁性体の量子効果を理解
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残留応力評価法の開発と利用
残留応力解析用中性子回折装置RESA
・最小測定体積:2mm×2mm×2mm・1プロファイル測定時間:6時間程度
(アルミニウム製品)・応力分解能:±30MPa程度(鉄鋼)・測定対象:工業製品サンプル
測 定 部 分
A
R
H
0
0 m m
-1 0 m m
+ 1 0 m m
吸気孔
排気口
点火プラグ孔 020
40
60
80
100
120
140
160
-10 -5 0 5 10
POSITION FROM CENTER (mm)
STRESS (MPa)
自動車エンジン内部の応力測定 健全性診断
製造方法の改善 高性能低価格エンジン完成
10mm
Scattered beam
Incident beam50mm
0 2 4 6 8 1010
20
30
-0.18-0.16-0.14-0.12-0.1
-0.08-0.06-0.04-0.02
00.020.040.060.080.1
0.12
STR
ESS
(GPa
)
Radial Position (mm)
AxialPosition
HOOP RESIDUAL STRESS
R= 40mm
き裂進展方向
き裂を導入した溶接配管の残留応力分布測定
き裂進展方向
き裂を導入した溶接配管の残留応力分布測定
き裂進展方向
き裂を導入した溶接配管の残留応力分布測定
RESA利用の30%が有償利用(2004年度)
工業製品の材料強度評価・健全性評価
大型構造材料への適用 残留応力評価法の開発
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主な国際協力
●日米協力「中性子散乱」
政府間協定:文科省(原研・物性研)
米国エネルギー省(オークリッジ 、ブルックヘブン国立研究所)
●日英「中性子検出器開発」
研究機関間協定:原研ーラザフォードアップルトン研究所
●日インドネシア「研究炉利用」
研究機関政府間協定:原研ーインドネシア原子力庁
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アジア地域で最もよく共同利用されている施設
冷中性子源設置
予算化済
建設中、2006 完成予定
2004.3 臨界達成
2006運転永久停止予定
財政危機による運転時間短縮(以前は200日以上)
EU 13ヶ国共同運営機関
PSB(構造生物学パートナーシップ)や
MINATECを推進中
DOE、ユーザーから最も共同利用の評判の高い施設米国「燃料電池」開発戦略拠点
DOEによる高度化推進拠点施設
ナノサイエンスセンター併設
特筆事項他
固体物性材料
高分子科学生命科学
固体物性材料
高分子科学
固体物性材料化学
固体物性材料
高分子科学生命科学
固体物性材料
高分子科学
固体物性材料
高分子科学生命科学
固体物性材料
高分子科学固体物性高分子科学
主な研究分野
1990 改造
199720062004196219801972, 1993 改造19701967中性子源完成
年
2568>10 planned62226249 (現在)
17(2006改造後)
中性子散乱装置台数
1/01(設置中)/01/01/01/01/02月1日1/01(2005新設予定)/0
冷中性子源/熱外中性子源
数
3x10143x10143x10148x10142x10142x10141.5x10153x10142.1x1015炉心での熱中性子束
(n/cm2/s)
203020202015582085熱出力(MW)
日本原子力研究所 JAERI
韓国原子力研究所 KAERI
豪州原子力研究機構 ANSTO
ミュンヘン工科大
ユーリッヒレオンブリリュアン研究所
LLB
ラウエランジュバン研究所
ILL
国立標準技術研究所 NIST商務省
オークリッジ国立研究所
ORNLDOE
研究機関
JRR-3(日)HANARO(韓)OPALFMR-II(独)FRJ-II(独)ORPHEE(仏)HFR(仏)NBSRHFIR 中性子源
アジアオーストラリア欧州米国国/地域
世界の主な「原子炉」中性子ビーム施設
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固体物性材料
高分子科学生命科学
第2ターゲッ計画進行中(2007年完成予定)
1985/2007
17
1.8x1016
液体水素・液体メタン・水
Ta
50
160kW
800/200
ラザフォードアップルトン研究所
RAL
ISIS(英)
建設中(2008.4完成予定)
世界初のパルス中性子専用施設(2006
年停止予定)
最も早い時期に計画されたが延期
建設中(2006完成予定)
ナノサイエンスセンター併設
ナノサイエンスセンター併設
ナノサイエスンセタンー併
設特筆事項他
固体物性材料
高分子科学生命科学
固体物性材料
高分子科学生命科学
-
固体物性材料
高分子科学
固体物性材料
高分子科学生命科学
固体物性材料
高分子科学生命科学
固体物性材料
高分子科学生命科学
主な研究分野
2008.41980?19962006.619831981中性子源完成年
2315401524712中性子散乱装置台数
1.25x10175x10146.3x10171.25x10171.8x10176.7x10155x1015積分速中性子数(n/s)
液体水素固体メタン・水
液体水素・固体メタン
液体重水素・重水
液体水素・水固体メタン・水
固体メタン・水減速材
HgWHgジルカロイHgW濃縮Uターゲット材料
252010/50連続602030繰返数(Hz)
1MW4.5kW5MW/5MW1MW1.4MW56kW8.1kW陽子ビーム出力
3000/333500/91333/7500590/15001000/1400800/70450/18陽子エネルギー
(MeV)/電流(µA)
原研・高エネ機構高エネ機構KEK未定
ポールシェラー研究所
オークリッジ国立研究所
ORNL(DOE)
ロスアラモス国立研究所 LANL(DOE)
アルゴンヌ国立研究所
ANL(DOE)
研究機関(所轄)/所在地
JSNSKENSESS(EU)PSI(スイス)SNSLANSCEIPNS中性子源
日本欧州米国国/地域
世界の主な「加速器」中性子ビーム施設
中性子ビームの供給・利用の現状・動向JRR-3における中性子ビーム実験設備JRR-3 中性子ビーム実験利用の推移JRR-3における中性子散乱実験利用の需給日数の推移JRR-3 JRR-4における中性子ビーム実験利用及び照射利用JRR-3における中性子ビーム実験の分野別利用主な技術開発の成果主な利用研究の成果生物用中性子回折計の開発とタンパク質の水素・水和構造の研究低次元磁性体・強相関電子系物質のスピンダイナミクス残留応力評価法の開発と利用主な国際協力世界の主な「原子炉」中性子ビーム施設世界の主な「加速器」中性子ビーム施設