用語解説｜J-PARCデーターベース｜大強度陽子加速器施設J-PARC「一般向け」

用語解説

J-PARC（大強度陽子加速器施設）関連用語集

【あ】

【か】

【さ】

【た】

【な】

【は】

【ま】

【や】

【ら】

【わ】

核変換研究及び施設の関連用語

【あ】

アメリシウム (Am): 原子番号95の超ウラン元素の1種。すべて放射性同位体であり、エックス線やα線の放射線源に広く利用されている。Am-241（半減期432年）、Am-242（半減期16時間）などの同位体がある

【い】

インジェクター部: 核変換実験施設で用いる計画である超伝導陽子線形加速器（リニアック）において、主要な加速部である超伝導空洞へ陽子を送り込むための前段部分。

【う】

ウラン (U): 原子番号92の元素。すべて放射性同位体である。ウランは最初に発見された放射性元素である。天然ウランには核分裂を起こさないU-238（半減期45億年）が99.28%、核分裂を起こすU-235（半減期７億年）が0.72%含まれる。原子力発電所などの軽水炉で使用される核燃料は、核分裂を起こすU-235を3～4%程度に濃縮して使う。

【お】

親核種: 放射性核種Aが放射線を放出して壊れ、別の核種Bに変化するとき、AはBの親核種という。これに対して、BはAの娘核種という。

【か】

階層型: 核変換サイクルを設計する際の基本的考え方の一つで、商用発電サイクルにマイナーアクチニドや長寿命核分裂生成物の変換専用の核燃料サイクルを付加したもの。加速器駆動未臨界炉(ADS)あるいは専焼高速炉(ABR)といったマイナーアクチニド変換専用システムを核変換サイクルの中心に据え、商用発電サイクルと核変換サイクルの2つのサイクルがそれぞれに最適化を図り、独立に発展が可能で、商用発電サイクルの形態に依らず、そこからのマイナーアクチニド発生量に見合った規模の核変換サイクルを用意することができるという特徴がある。
核種: 特定の原子番号と質量数により特定される元素の種類のこと。例えば、ウラン元素には、核種としてU-235（原子番号92、質量数235）やU-238（原子番号92、質量数 238）などが含まれている。
核種分離技術: 高レベル放射性廃棄物に含まれる核種を、それぞれの核種の物理的あるいは科学的特徴を利用して、核変換の方法や利用目的に応じていくつかのグループ、元素あるいは核種に分離する技術。
核燃料サイクル: 天然ウラン等が濃縮、加工等を経て核燃料として原子炉で利用され、核燃料として利用された使用済燃料からプルトニウム等を取り出し再び核燃料として利用されること、及び、一連の過程から発生した放射性廃棄物が処理処分されること、これら全ての過程を総合した体系のこと。
核破砕反応: 加速器などを用いて約1億電子ボルト（100MeV）以上の高エネルギーにまで加速した陽子を、水銀、鉛ビスマス、鉛、タングステン、タンタル、ウラン、炭素等の標的に入射すると、高エネルギー陽子が標的中の原子核と激しく衝突し、そのエネルギーで標的の原子核をバラバラにする。バラバラになった原子核から中性子、中間子などの多数の2次粒子が放出される反応を核破砕反応と呼ぶ。
核反応: 原子核と原子核、あるいは原子核と陽子、中性子、電子、 γ線等の衝突によって起こる現象のこと。具体的には、捕獲、核分裂などがある。
核反応断面積: 原子核同士または原子核と中性子・陽子などの素粒子との衝突によって起こる反応を核反応といい、核反応の起こる確率を核反応断面積という。
核分裂生成物 (FP): ウランやプルトニウム等の核分裂に伴って生じた核種及びその一連の放射性崩壊で生じる核種のこと。大部分が放射性であり、その半減期は1秒以下のものから数百万年に及ぶものまで幅広い。
核分裂性物質: 比較的エネルギーが低い熱中性子との相互作用によって核分裂を起こす物質の総称。ウラン235が代表的なものである。
核変換: 原子核が核反応により変換し、ある核種が他の異なる核種に変わる現象のこと。
核変換技術: 核変換を利用して、放射性核種を別な核種に変換することで、高レベル放射性廃棄物中の長寿命核種（長い間放射線を放出し続ける核種）を、短寿命核種（短期間で放射線を放出しなくなる核種）、または安定核種（放射線を放出しない核種）へ変換する技術。
超ウラン元素のNp（ネプツニウム）, Am（アメリシウム）, Cm（キュリウム）や、核分裂生成物のTc（テクネチウム）-99等は、放射線放出の半減期（放射線を出す原子数が半分に減少するまでの時間）が数万年間になるが、これを半減期が数百年の短寿命核種、あるいは放射線を出さない安定核種に変換する技術が開発されると、放射性廃棄物の管理期間の短縮や、管理面積の削減などが可能になり、管理が格段に容易かつ安全になると見込まれている。将来的には「加速器駆動型原子力システム（ADS）」も構想されている。
加速器駆動未臨界炉 (ADS):   核破砕中性子源で作りだした中性子ビームを利用して、核分裂の連鎖反応を未臨界状態で維持するシステムのこと。
  通常の原子炉では、核分裂の連鎖反応から生まれる中性子で臨界状態に保つことにより維持しているのに対し、加速器駆動原子力システムでは未臨界状態を保ち、加速した陽子ビームを重金属ターゲットに衝突させて起きる核破砕反応の中性子を核分裂に用いている。
  このシステムでは未臨界状態での運転のため、加速器を停止して陽子ビームを止めると核破砕反応も止まり、中性子の供給も止まるためそれ以上の核分裂反応は起きない。そのため超臨界となるような事故が起こることはなく、安全性が高いと考えられている。
  将来的には、使用済み燃料から分離した長寿命放射性核種であるネプツニウム、アメリシウム等のマイナーアクチニドの核変換に、このシステムを利用することを検討している。また核変換反応により生まれる熱を利用して発電を行い、その電力を加速器の運転に自給するシステムも検討されている。
  しかし陽子ビーム輸送システム、ビーム窓、核破砕ターゲットなどの技術を開発すること、またこのようなシステムの運転経験が無いことなど、今後の開発課題も多い。
管理型処分: 放射性核種の濃度が時間とともに減少し、人間環境への影響が十分に軽減されるまで、放射性核種の濃度に応じた管理を行うことで、放射性廃棄物を人間環境への影響がないように安全に処分する方法。

【き】

キュリウム (Cm): 原子番号96の超ウラン元素の１種。すべて放射性同位体である。α線を放出する Cm-242（半減期163日）、Cm-244（半減期 18年）がある。

【こ】

高速増殖炉 (FBR): 高速中性子による原子核分裂連鎖反応によってエネルギーを発生しながら、原子炉内において消費した核燃料以上に、新しい核燃料（プルトニウム）を生成する原子炉。福井県敦賀市に原型炉「もんじゅ」がある。
高速中性子: 大きい運動エネルギーを持つ（スピードが速い）中性子のこと。（参照「熱中性子」）
高レベル（放射性）廃棄物: 原子力発電所や再処理工場などから出る放射能の強い放射性廃棄物。一般的には使用済み核燃料を再処理してウランとプルトニウムを回収した残りのもので、高レベル放射性廃液、またはそれをガラス固化したものをいう。
ストロンチウム-90、セシウム -137などの核分裂生成物と、アメリシウム-241、ネプツニウム-237などのアクチニド（原子番号89番以上の元素で放射性元素）など、強い放射能を持つ核種や長寿命の核種が含まれている。

【さ】

再処理: 原子炉で使用した核燃料の中には、燃え残り（核分裂を起こさなかった）のウランや新しくできたプルトニウム等、核燃料として再び利用できるものと、ウラン等が分裂してできた核分裂生成物が含まれている。これらを化学的な方法により、再び核燃料として利用できるウラン、プルトニウムと、高レベル放射性廃棄物に分離する作業のこと。

【し】

J-PARC（ジェイパーク）: J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex）は、日本原子力研究開発機構（JAEA）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で建設・運営を行っている最先端科学研究施設。
茨城県東海村のJAEA原子力科学研究所内、約65haの敷地に3台の大型陽子加速器と各種の実験研究施設が設置されている。加速器で光速近くまで加速された大強度陽子ビームを、標的である金属や炭素などの原子核と衝突させて、原子核破砕反応により大量の中性子や中間子、ミュオン、ニュートリノなどの粒子を発生させる。実験研究施設ではこれらの粒子を利用して原子や原子核の世界を調べ、最先端の原子核・素粒子物理研究や、タンパク質の構造解析や材料研究、核変換技術研究などが行われている。
使用済（核）燃料: 原子炉で核燃料として使用され、規定の燃焼度に達した後に原子炉から取り出された核燃料をいう。
処分: 放射性廃棄物を環境汚染が生じないような状態で環境中へ放出、埋設することを処分 (disposal)という。（※下記「処理」を参照）
処理: 放射性廃棄物を処分できる状態にする工程、あるいは安全に貯蔵できる状態にする工程を処理(treatment)という。（※上記「処分」を参照）

【せ】

専焼高速炉: マイナーアクチノイド (MA：Np、Am、Cmなど)を主成分とした核燃料で炉心を構成した高速炉。臨界調整のために初装荷燃料にPuを添加するが、第2サイクル以降は燃焼減損分のMAの追加だけで運転できる。U、Puからの高次のアクチノイド生成がほとんどないために高効率の核変換処理が可能となるが、遅発中性子割合が小さいことからくる制御上の問題がある。後者の問題の回避のためには、遅発中性子割合増大のために炉心にU-235を添加する、あるいは、加速器駆動型未臨界炉とする、といった解決法がある。

【た】

多重バリアシステム: 高レベル放射性廃棄物を、長期聞にわたり生物園から隔離して放射性物質の移動を抑えることにより、処分された放射性廃棄物による影響が将来にわたって人間とその環境に及ばないようにするため、多層の防護系から成るシステム。工学技術により設けられる人工バリアと、天然の地層である天然バリアにより構成される。
短寿命核（種）: 放射性核種は自然界に安定には存在できないため、他の原子核に短い時間で変換（崩壊）してしまう。また崩壊に伴って発生する放射線は時問とともに減衰していく。この放射性核種が放射線を出す期間を寿命とし、短期間で減衰してしまう核種を短寿命核種という。
短寿命核種は一般的には半減期（放射線を出す能力（放射能）が半分になる時間）が30年以下の放射性核種をいうが、例えば1千分の1秒程度で変換してしまうものもある。

【ち】

地層処分: 高レベル放射性廃棄物の最終処分として、ガラス固化体を地下数百メートルより深い地層あるいは岩体中に隔離する方法をいう。処分後のいかなる時点においても人間とその生活環境が高レベル放射性廃棄物中の放射性物質による影響を受けないようにすることを目的とする。なお、英語の "geological disposal"に対して用いられている「地層処分」という用語の「地層」には、地質学上の堆積岩を指す「地層」と、地質学上は「地層」とみなされない「岩体」が含まれている。
窒化物燃料: アメリシウム(Am)の窒化物やキュリウム(Cm)の窒化物を混合した原子炉の燃料。窒化物は熱伝導度が良好であり、様々な元素を混合することができるという特徴がある。
窒素15: 天然の窒素はほとんどが窒素14からなる。窒素14は中性子捕獲反応により、長寿命核種である炭素14を生成する。このため、核変換プロセスに窒化物燃料を使う場合には、天然の窒素に0.37%しか含まれない窒素15を高濃縮して使用する。
中間貯蔵: 高レベル放射性廃棄物を地層処分するまでの間、放射能及び崩壊熱が減衰するまで、30～50年間貯蔵することをいう。
中性子スペクトル: 中性子のエネルギー分布のこと。
中性子捕獲反応: 中性子が原子核に捕獲吸収されて、γ線を放出する核反応（n、γ）のことをいう。中性子を捕獲した原子は質量数が1だけ増し、原子番号は変わらない。中性子捕獲によって一般に原子核は放射性を与えられることになる。高速増殖炉において炉心の周りに配置されたブランケット燃料のU-238は炉心からの高速中性子を効率よく捕獲吸収してPu-239をより多く作り出す役割をしている。
長寿命核種: 放射性核種の崩壊は無限に続くものではなく、それに伴って発生する放射線は時間とともに減衰していく。この放射性核種の放射能のある期間を寿命とし、長期間にわたって放射線を発する核種を長寿命核種という。
一般的には半減期が30年以上の放射性核種をいう。（参考「短寿命核種」）
超伝導空胴: 超伝導リニアックの主要な加速部である。超伝導状態となるひょうたん型の空胴であり、内部に蓄えられる高周波電力により荷電粒子を加速する。加速される荷電粒子の速度により形状が異なる。質量の軽い電子の場合はほぽ一定速度（光速）で加速されるため構造は簡単となり、これまでにも各国で実用化されている。一方、質量の重い陽子を加速する場合には速度がエネルギー毎に変化し、低エネルギー側では扁平な空胴形状となるため、構造設計が難しい。現在、先進各国で開発が競われている。
超伝導リニアック: 超伝導空胴を用いて陽子などの荷電粒子を加速する線形加速器（リニアック）。常伝導の場合と比べて電力効率が高いこと、ビーム管径を大きくできることなどが特徴である。電力効率が高いことはシステムのエネルギー効率を向上させることに寄与する。ビーム管径を大きくできることはビーム損失を抑制して加速器システムの漏洩陽子によるダメージを低減することに寄与する。
超ウラン元素（TRU元素）: 原子番号がウランよりも大きい元素のこと。TRU（Trans Uranium）とも呼ばれる。ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウムなどがある。天然には存在せず、原子炉や加速器の利用により人工的に作られたもので、半減期が数万年以上と長いものがある。

【と】

毒性指数: 放射性廃棄物に含まれる放射能が、法令で定められている年摂取限度の何倍に当たるかを示す指標。放射性物質に起因する潜在的な毒性を示す。
トリウム（Th）: 原子番号90のアクチノイド元素の1つ。天然に存在するTh-232の半減期は 1.4×10¹⁰年である。Th-232は中性子を吸収すると、 β崩壊を経て核燃料物質であるU-233に転換する。

【に】

二次廃棄物: 放射性廃棄物の処理、処分等を行う過程で新たに発生する廃棄物。

【ね】

ネプツニウム（Np）: 原子番号93の超ウラン元素の一つ。天然にはほとんど存在しない。Np-237の半減期は2.14×10⁶年。

【は】

廃棄物管理: 廃棄物の取扱、処理、調整、輸送、貯蔵、処分等を含む全ての活動の総称。
半減期: 原子核に中性子の数が多いなどの不安定な核種は、エネルギーとして放射線を放出して少しずつ安定な核種に変換（崩壊）していく。放射線を放出する期間は核種によって固有に決まっており、放射線を放出する核種の量（放射能の強さ）が半分に減少するために要する期間を半減期という。半減期が1秒もない核種から、数万年、数億年といったものまである。例えば私たちの体内にもある放射性物質であるカリウム40の半減期は約12億8千万年、PETでがんの診断に使用するフッ素18の半減期は約110分。
例えば半減期が2日の場合、2日間で放射線を放出する核種の数は半分に、4日間で1/4に、6日間で1/8に減少する。

【ふ】

プルトニウム（Pu）: 原子番号94の超ウラン元素の一つ。天然には極微量しか存在しない。 Pu-239はU-238の中性子捕獲によって生ずるU-239が、2段の β崩壊をすることで生じる。その半減期は2.4×10⁴年である。これがさらに中性子を捕獲すると順次Pu-240、241及び242などの同位体が生じる。このうちPu-239とPu-241は核分裂断面積が大きいために核分裂物質（核燃料）として利用できる。Pu-239は高速中性子を捕獲したときの核分裂における中性子発生率が大きいために、高速増殖炉の燃料として用いられる。U-238を親物質に用いると核燃料の増殖が可能になる。プルトニウムを熱中性子炉で燃焼させるのがプルサーマル炉である。

【ま】

マイナーアクチニド: 原子番号89のアクチニクムから103のローレンシウムまでのアクチノイド元素のうち、アクチニウムを除いた元素群をアクチニドと呼ぶ。使用済核燃料の中に生成するアクチニド元素のうち、生成量の比較的多いプルトニウムを除いた、生成量の比較的少ない元素である。ネプツニウム、アメリシウム、キュリウムなどが含まれ、いずれも放射性核種である。

【よ】

陽子ビーム窓: 物質生命科学実験施設・ビーム輸送装置の真空ダクトの末端の外側には、ヘリウムが充填された中性子ターゲット装置がある。このヘリウムが真空ダクトに流れ込まないようにする仕切りが陽子ビーム窓である。陽子ビームは陽子ビーム窓を通過して中性子ターゲット装置に入射する。陽子ビームの通過により陽子ビーム窓は発熱するため水を流して冷却する。
溶融塩: 溶融して液体となった塩類。原子炉の冷却材、核燃料の溶媒、再処理の抽出剤等、諸種の工程に用いられる。
溶融塩電解法: 使用済金属核燃料を陽極（＋）、固体（鉄の棒）あるいは液体カドミウムを陰極（－）として、溶融塩中で電気分解を行うことにより、陽極からU、TRUが溶融塩中に溶解し、陰極に析出する。この際、各金属の還元されやすさの違いによって、固体陰極ではUが、液体カドミウム陰極ではU、TRUが、夫々選択的に析出するために、FPと分離して回収することができる。