ITER遠隔時の放射線環境評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3544 (2023) この記事を引用

1087 アクセス

10 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ITERの運用期間中、メンテナンス、保管、廃止措置の目的で、容器内のコンポーネントをホットセルに移送するために、遠隔操作可能なキャスクが使用されます。施設内でのシステム割り当ての透過率の分布により、各移動操作の放射線場は高い空間変動を示します。作業者と電子機器の保護のために、すべての操作を個別に検討する必要があります。この論文では、ITER 施設内の容器内コンポーネントの完全な遠隔操作シナリオ中の放射線環境を記述するための完全に代表的なアプローチを紹介します。手術のさまざまな段階で、関連するすべての放射線源の影響が検討されます。完成した構造物と 2020 年のベースライン設計は、トカマク施設を収容する 40 万トンの土木構造物であるトカマク施設の最新の中性子モデルを生成すると考えられています。 D1SUNED コードの新しい機能により、移動放射線源と静止放射線源の両方の積分線量、線量率、光子誘起中性子束を計算できるようになりました。シミュレーションには時間ビンが含まれており、移送に沿ったすべての位置で容器内のコンポーネントによって引き起こされる線量率を計算します。線量率の時間変化は、解像度 1 m のビデオ形式で構築されており、ホットスポットの特定に特に役立ちます。

核融合発電の先陣を切るプロジェクトである ITER は、信頼できるエネルギー源としての核融合の実現可能性を大規模に実証することを目的としています。 500 MW パルス動作中、重水素と三重水素の核融合反応の生成物として、14.1 MeV の中性子が毎秒約 1.77 · 1020 個生成されます。強力な中性子場は近くの物質（特に容器内部のコンポーネントの物質）と相互作用し、それらを変換して活性化します。このような活性化されたコンポーネントには二次的な遅延ガンマ線源が必要であり、機械の稼働中はプラズマ中性子に比べて放射線学的に無視できる可能性がありますが、機械の停止時には施設内の主な放射線源になります。

ITER の運用期間中、容器内コンポーネントの保守、保管、廃止作業がホットセル・コンプレックス内で実行される必要があることが予想されます。とりわけ、440 枚の最初の壁パネル、54 個のダイバータカセット、およびすべてのポートプラグ (図 1 に示す) がそのような作業の対象となります。ただし、その前に、これらのコンポーネントをトカマクコンプレックスからホットセルに転送する必要があります。遠隔操作可能なキャスクは、活性度が高いため、このような目的に使用されます。移送作業は、バイオシールドプラグの取り外し、キャスクへの部品の装填、ポートセルドアの開口、移送自体など、いくつかの段階で構成されます。その結果、そのような操作中に施設内で線源と遮蔽の両方の形状が変化するため、放射線場の変化が予想されます。放射線場の評価は、作業員保護のための放射線ゾーンへの準拠を確認し、必要に応じて電子機器認定プログラムをサポートするために必要です。

ITERトカマクの断面図。遠隔から移送される容器内のコンポーネントが表示され、トカマク内のそれらの位置が強調表示されます。トカマクの 3 つのレベルが表示されます。

これまでの研究でこの問題に対処してきました1が、(i) 放射線源とキャスクの操作に関して徹底的なアプローチに従う必要があること、(ii) 建物とコンポーネントの設計が絶えず進化していること、(iii) 改良が必要であることなどの理由から、新たな取り組みが必要です。コードと方法論の。

移動する放射線源による放射線マップを計算する方法論的能力は、以前の研究によって証明されています1。それにもかかわらず、以下の理由により、船舶内コンポーネントのリモート処理シナリオを完全に表現することはできませんでした。

限られた一連のキャスク軌道が考慮されました。上部ポートプラグについては、ポートセル #10 から始まる 1 つの軌道のみが考慮されました。赤道ポートプラグ移動の放射線マップは取り上げられなかった。

操作の 1 段階であるホットセルへの樽の移送のみが研究されました。港湾セルのドアを開けるときに存在する環境など、他の段階で生成される放射線環境については言及されていませんでした。

また、トカマク・コンプレックスの設計は進化しており、その建設は前作からほぼ完了しています。以前に使用されていた幾何学的なモンテカルロ N 粒子 (MCNP)2 モデルは単純すぎて (建物の壁へのシステムの侵入がほとんどありませんでした)、現在では時代遅れです。この研究では、完成後のコンポーネント構造と 2020 年のベースライン設計が考慮されています。建物の壁やスラブを横断するシステムの約 4,800 件の貫通が含まれています。

最後に、方法論とコードの改善に関しては、D1SUNED コード3 の新しい機能が開発されました。これらにより、移動する放射線源によって生じる積分線量を計算できるだけでなく、時間ビン内でそのような線量を離散化することも可能になりました。結果は、ビデオ形式でのキャスク移送中の線量率の時間変化です。これは、設計を最適化するために、妥協するキャスクの位置を特定するのに特に役立ちます。最初の壁パネルのベリリウムからの光子誘起中性子（または光中性子）による放射マップが初めて作成されました。

この記事で紹介した研究は、容器内コンポーネントの遠隔操作操作シナリオ中の ITER 放射線環境にさらに光を当てました。それを記述するための体系的なアプローチと、更新されたトカマク複合体幾何学、採用された新しい方法論、およびいくつかの関連する結果については、次のセクションで説明します。

ITER移送運用シナリオは広範囲かつ複雑です。これには、リモート制御操作と実際の制御操作の両方が混在することに加えて、さまざまなタスクとコンポーネントが含まれます。この研究では、船舶内コンポーネントの遠隔操作操作シナリオのみが取り上げられています。これには以下の転送が含まれます。

診断、テストブランケットモジュール、電子およびイオンサイクロトロン加熱システムからの 14 個の赤道ポートプラグ。

診断および電子サイクロトロン加熱システムからの 14 個の上部ポートプラグ。

54 ダイバータカセット。

第一壁パネル 440 枚。

6 台のトーラスクライオポンプ、6 台の容器内観察システム、および 3 台の診断ラック。

転送操作は、対象となるコンポーネントと転送操作が実行されるポートセルによって異なります。プロセスを大幅に簡素化するため、ポートプラグの移送操作は次の段階で構成されます (図 2 を参照)。

ポートセル機器の取り出し。バイオシールドプラグと空間装置を取り出します。

ポートセルのドアを開け、ポートセル内の移送キャスクに入り、ポートセルのドアを閉めます。

ポートプラグを取り外し、トランスファーキャスクに装填します。この段階には約 16 時間かかります。

ポートセルのドアを開け、積み込まれたキャスクをギャラリーに移送します。これには約 30 分かかります。

ポートセルのドアを閉じ、ホットセルへのキャスクの移送を続行します。樽の移送が開始されるポートセルに応じて、この段階には 1 ～ 6 時間かかる場合があります。

ポートセル #14 からのキャスク移送操作中の段階を簡略化して示しています。移送キャスクは灰色で示され、活性化された移送コンポーネントは黄色で、事前に除去される装置は青で示されている。

前述のステージの中で、番号 3、4、および 5 は、この作業で特に強い放射線フィールドを示します。それらは：

転送される活性化されたコンポーネントによって生成される放射線場。

移動中に容器内に残っているすべての活性化成分によって生成される放射線場。

第 1 の壁パネルやダイバータカセットなどの他のコンポーネントの取り出し操作には、さらに多くの段階が含まれる場合がありますが、関連する放射線照射野は同じままです。パネルを除くすべてのコンポーネントは 1 つずつ移送され、パネルはキャスクごとに 3 つずつ積み込まれます。ポートプラグ、トーラスクライオポンプ、船舶内観察システムおよびラックは、対応するポートセルから移送されます。第 1 の壁パネルとダイバータカセットには、それぞれ、抽出用に割り当てられた 4 つと 3 つのポートセルがあります。

この研究では、完全に代表的なアプローチに従って、トカマク施設内の船舶内コンポーネントの遠隔操作保守シナリオの放射線環境を説明しました。 5 つの異なるコンポーネント (図 1 に示す) が、すべての移送品目の代表として考慮されています: (i) ダイバータカセット、(ii) トーラスクライオポンプ、両方とも下層 (B1)、(iii) 3 つの最初の壁パネル、および(iv) 地上レベル (L1) の赤道ポートプラグ、および (v) 上部レベル (L2) の上部ポートプラグ。

特定のポートプラグと最初の壁パネルモデルの選択は、設計の保守性と成熟度を考慮したスコーピング分析に基づいて行われました。最高の線量率を提供するが、最終設計レビューに合格し、最初の壁の水路の明確なモデリングを備えたモデルが選択されました。イオンサイクロトロン加熱プラグと電子サイクロトロン加熱プラグは、それぞれ赤道プラグと上部ポートプラグとして選択されました。パネルに関しては、水のラインを明示的にモデリングする行 #18 のモデルが検討されました。

容器内観察システムと診断ラックはクライオポンプで表されています。これら 3 つのコンポーネントの活性化は同様であると予想され、ダイバータカセットの活性化と比較すると無視できる程度です。

合計すると、完全なメンテナンスシナリオの検討は、37 の異なるポートセルからの 41 の操作に減りました。これらは、(i) L2 での 14 個の上部ポートプラグの移送、(ii) L1 での 14 個の赤道ポートプラグと 4 個の最初の壁パネルの移送、(iii) B1 での 3 個のダイバータと 6 個のトーラスクライオポンプの移送に対応します。 4 つのポートセルはパネルによって共有され、ポートプラグは L1 で転送されます。

前回の研究以来、ITER トカマクコンプレックスの 2 つの公式 MCNP モデルがリリースされました。更新は、設計の変更と、建設が完了に近づくにつれての現況形状の利用可能性に関連付けられます。前モデルは、モデルの品質に関して一歩前進しました4。この記事で説明する後者は、同じ方法論に従いますが、以前のトカマク複合施設モデルでは考慮されていなかったいくつかの建物、構造物、コンポーネントを含めることで適用範囲を拡張し、精度を高めています。

トカマク・コンプレックスには 3 つの建物があります。マシンを収容するトカマク・ビルディング (B11)、トリチウムが処理されるトリチウム・ビルディング (B14)、およびほとんどの機器の制御および処理電子機器を収容する診断ビルディング (B74) です。診断システム。 B11 の更新では、建設済みの構造ジオメトリが考慮されています。まだ建設されていない構造物については、2020 年のベースライン設計が検討されています。 B14 および B74 MCNP モデルは、以前のモデルを若干の変更を加えて再利用しました。

図 3 は、トカマク複合施設の CAD モデルと MCNP モデルの垂直断面図をそれぞれ示しています。レベルが指定されています（地下レベルの場合は B2 と B1、地上レベルの場合は L1 から L5 と R1 を加えたもの）。

トカマクコンプレックス CAD モデル (左) と MCNP モデル (右) の断面図。建物とレベルがマークされています。 MCNP モデルビューの異なる色は、異なる材質を示します。

この施設は、特に機械制御、プラズマ加熱、診断、冷却、燃料供給、真空ポンプ、ケーブルトレイ、電源、暖房、換気、空調専用のサポートシステムを収容するための数千の貫通部で構成されています。その結果、トカマク複合体の放射線環境は減衰とストリーミング現象の両方を組み合わせ、高い空間変動性を示します。このような開口部を検討するために、B11 の建物構造を横切るシステムのすべての貫通部 (合計約 4,800 個) がモデル化されました。位置、寸法、材質が更新されました。専用の埋め戻しセル (つまり、壁/スラブと交差システムの間のギャップを埋めるコンポーネント) が考慮されます。さらに、最大の B14 および B74 貫通力は 2020 年のベースライン設計に更新されました。

別の変更は、以前の放射線マップに基づいて設計された 15 の遮蔽手段の存在に関するものです。トカマク複合施設の内外の特定地域の放射線レベルを下げることを目指して、現在のモデルではそれらが考慮されています。

隣接する建物の簡略化された形状が MCNP モデルに統合されています。これらには、B11 の屋根、耐震プラットフォーム (B12-19)、集会ホール (B13)、ホットセル (B21)、高電圧建物 (B37)、および B12-19 と B37 の間のトレンチが含まれます。トカマク施設から最大 1 km 離れた気室だけでなく、ITER 土壌の簡略化された表現も検討されています。 CAD モデルと MCNP モデルの全体図を図 4 に示します。

CAD モデル (左) と MCNP モデル (右) の隣接する建物とトカマクコンプレックスの眺め。建物とコンポーネントにはマークが付けられています。両方の図には敷地の南北方向が示されています。

さらに、MCNP モデルには、中性線ビームセルと高電圧デッキ環境、およびトカマク冷却水システム 5 の詳細な説明が含まれていますが、これらはこの記事の範囲外です。

計算の便宜上、単一キャスク移送の段階に関連する 2 つの放射線場の評価 (図 2) を 4 つの寄与に分離し、図 5 にまとめました。

貢献その1。段階 3 (キャスクへのコンポーネントの積み込み) 中にコンポーネントが容器内に残るため。

貢献その2。ステージ 3 (キャスクにコンポーネントをロードする) 中に移送されるコンポーネントによって生成されます。

貢献その3。段階 4 (ポートセルのドアを開け、キャスクをギャラリーに移す) の間、コンポーネントが船内に残っているため。

貢献その4。ステージ 4 および 5 で移送されたコンポーネントによって生成されます (ポートセルのドアを開いてキャスクをギャラリーに移し、ポートセルのドアを閉じてホットセルへのキャスクの移送を継続します)。

ポートセル #14 からの 1 回の転送操作の段階における放射線環境の計算による内訳。放射線場への寄与は、赤い矢印 (容器内に残っている成分の場合) または赤い四角 (移動された成分の場合) でマークされます。画像は、考慮されたさまざまなトカマク複合体の形状を示しています。

トカマク複合体 MCNP モデルのバリエーションは、各段階の形状を表すために準備されています。空間およびポートセルの機器、およびバイオシールドプラグは、材料を空気に変更することにより、すべてのコントリビューションで取り外されます。ポートプラグもすべてのコントリビューションの位置から取り外されました。移送されるコンポーネント (ポートプラグ、ダイバータカセット、3 つの最初の壁パネル、またはトーラスクライオポンプのいずれか) は、寄与 #2 中にキャスク内のポートセル内に配置されています。貢献 #4 については、移動する放射線源を扱うために使用される方法論が次のセクションで説明されます。ポートセルのドアは、コントリビューション #3 と #4 では開いています (空気中) が、コントリビューション #1 と #2 では閉じたままです。

この研究では、核融合反応による中性子フルエンスへの曝露によって生成される、容器内コンポーネントの崩壊ガンマ線源が考慮されています。さらに、最初の壁パネルに存在するベリリウムがパネルの崩壊ガンマ場に曝露されるときに出現する遅延光中性子源も、中性子に曝露されないコンポーネントに影響を与える可能性があるため、対処されています6。このような音源は、コンポーネントに応じて 2 × 2 × 2 ～ 4 × 4 × 4 cm3 の空間解像度を持つジオメトリを重ね合わせたメッシュを使用して記録されています。すべての発生源とその強度を図 6 に示します。

容器内に残る活性化成分からの崩壊ガンマ線源は、SRC-UNED7 手法を使用してモデル化されました。これにより、バイオシールド内 MCNP モデルである E-lite8 からの情報をバイオシールド外モデルである既に説明したトカマクコンプレックス MCNP モデルにリンクすることができます。この放射線源が関連する場合 (ステージ 3 および 4) にマシン構成を適切にキャプチャするために、E-lite にいくつかの変更が実装されました。インタースペースおよびポートセル機器は、バイオシールドプラグおよびポートプラグとともに、ジオメトリから削除されました。

すべての放射線源は、完全な ITER 生涯照射シナリオ (SA2) とそれに続く 3 週間の冷却時間を使用して計算されています。 Cell-under-Voxel 機能 9 は、必要なコンポーネントのセルに情報のみを記録するために採用されています。建物の放射化については、他の放射線源に比べて無視できると予想されるため、この研究では取り上げられていません。

移動する放射線源の計算に対処するために、新しい D1SUNED 機能が開発されました。同じ MCNP 入力内に 2 つの独立した領域 (トランスポートドメイン領域とソースユニバース) を定義するために必要な方法論。この研究では、前者はすでに述べたトカマク複合体 MCNP モデルです。後者には、移送されたコンポーネントの形状と移送キャスクの簡略化された表現が含まれます。これら 2 つの地域は墓地 (放射線が運ばれないゾーン) によって分離されています。したがって、通常のシミュレーションではパーティクルがそれらを通過することはできません。模式図を図7に示します。

移動放射線源に対する D1SUNED 手法の幾何学的表現 (縮尺は不正確)。ソース宇宙の境界と、移動中のトランスポートドメイン領域に沿ったその痕跡は、赤色の破線で示されます。緑の線は崩壊光子を表します。

キャスクの軌跡は別のテキストファイルで提供する必要があります。空間解像度は、滑らかな軌道を実現するために曲線に沿って十分な数の点を定義することによって設定されています。考慮した各点について、ファイルにはキャスクの重心座標、基準軸に対するキャスクの角度、および時間が含まれています。

粒子は最初にサンプリングされ、ソースの分布と形状に従ってソースユニバース上に輸送されます。それらがソースユニバースの境界に到達すると、軌道ファイルで定義された時間に従ってトランスポートドメイン領域でサンプリングされます。 2 つのポイント間の間隔が長くなるほど、より多くのイベントがサンプリングされます。 2 回目のサンプリングでは、粒子のエネルギーや方向は変わりません。最後に、粒子は通常の MCNP シミュレーションと同様に輸送ドメイン領域で輸送されます。

この方法論は、同じ原理が想定されているため、以前の研究 1 の方法論と非常に似ています。ただし、ここで提案されたものには明らかな利点があります。トカマク複合体モデルでソース粒子を輸送するために必要なシミュレーションは 2 つではなく 1 つだけです。これは計算的に単純であり、2 番目のシミュレーションで行う必要がある仮定を節約できます。

静的放射線源の放射線マップを計算するのは簡単な作業ですが、移動する放射線源を扱う場合は、必要な核量を時間内で離散化する必要があります。 D1SUNED v.4.1.1 では、ユーザーが結果を集計するためにメッシュ内に空間ビンまたはエネルギービンを定義するのと同じ方法で、時間ビンを定義できます。現在、移動する放射線源によって生成される核量の時間発展を 1 回の計算で計算できます。 MCNP モデルのジオメトリを変更する複数のシミュレーションを実行する必要はありません。このような新しい機能は、ITER 施設における容器内コンポーネントのキャスク移送に適用されています。

放射線源の分離された宇宙の定義には当然の帰結が伴うことは言及する価値があります。つまり、線源の形状は輸送ドメイン領域では考慮されません。これにより、ジオメトリが独立していない場合にソース宇宙の内部にあるであろう領域で、輸送ドメイン領域で集計された量が過小評価されます (図 9 または図 12 のソース宇宙、つまりキャスク宇宙の内部の領域を参照) ）。パーティクルは、ソースユニバースの境界に到達する前ではなく、到達するとトランスポートドメイン領域でサンプリングされることに留意してください。前者で定義された重ね合わせメッシュには、後者の内部で何が起こっているかの情報は含まれません。これは、特定のボクセルに関して、キャスクがその同じボクセルに「配置されている」間にのみ発生することに注意してください。この問題は、ソースジオメトリを分離するすべての方法論に共通しています。この研究では、ソース宇宙のサイズを最小限に抑えることで、この影響を可能な限り軽減しました。

明らかに、各放射線源が結果に与える影響は異なります。しかし、この研究では、トランスファーキャスクの軌道とキャスク内のコンポーネントの方向の両方が考慮すべき重要な要素であることが示されました。 ITER 施設では壁やスラブの貫通が多数あるため、これらの要因の変動により、特定の流動経路が他の経路よりも発生しやすくなります。図 8 は、キャスク内の第一壁パネルと赤道ポートプラグの異なる線量率分布を示しています。

3 つの最初の壁パネルと赤道ポートプラグキャスクの線量率 (Sv/h) の垂直方向の図。 20 および 50 Sv/h の等高線が示されています。

作成されたマップは、可能な範囲で以前の結果 1 と比較されています。違いが観察されていますが、それらはトカマク複合体と転移成分の両方の異なる（そして前述したようにより詳細な）MCNP モデルを使用することによって説明できる可能性があります。

前のセクションで説明した計算の内訳のため、特定のキャスク操作の積分線量を計算するには、図 5 に示す寄与からの結果を組み合わせる必要があります。

例として、図 9 に示すように、すべてのダイバータの抽出中の積分線量を考慮します。カセットは 54 個ありますが、これらは B1 レベルの 3 つのポートセル (ポートセル #02、#08、および #14) からのみ抽出されます。。合計の積分線量は、単一ポートセルからのキャスク操作の積分線量と、その同じポートから実行された操作の数の積の合計になります。この場合、ポートセルごとに 18 個の抽出が考慮されました。シングルキャスク操作の積分線量は、そのポートセルに対して計算された寄与の合計です。

54 個のダイバータカセットの抽出によって作成された統合総線量マップ (μSv 単位)。ポートセル #2、#8、および #14 からの 18 の操作のそれぞれは、図 5 のコントリビューション #2、#3、および #4 を構成します。B1 レベルのシールドされたコーナーがマークされています。

結果の分析により、ポートセルの外側で最も重要な寄与は #3 と #4 であることがわかりました。船内に残っている活性化成分は、ポートセルのドアが開いている間、無視できない寄与を引き起こします (つまり、寄与 #3)。地域によっては、これは、コンポーネントが転送中に生成したもの (つまり、寄与 #4) よりも関連性が高い場合があります。それを無視することはできず、すべての港湾セルで徹底的に調査する必要があります。

寄与 #1 と #2 はポートセル内でのみ関連しており、他の場所では無視できます。ポートセル外では前者は後者よりも小さいです。このため、寄与 #1 は、特定のキャスク操作の積分線量を生成するために考慮されていませんでした。

活性化コンポーネントが移動中に生成する線量率 (図 5 の寄与 4) が、その最長軌道 (ポートセル #08 からホットセルまで) に沿ったすべての位置で計算されています。施設内の線量率の時間変化はビデオ形式で作成されています（補足資料を参照）。各ビデオフレームは、キャスクが 1 m 移動するのにかかる時間の平均線量率に対応します。図 10 は、ポートセル #08 からホットセルまでの 200 m の軌道にわたる 1 m の移動距離に対応する、約 200 のマップの一部を示しています。ある画像から次の画像までキャスクが移動する距離は約 10 m です。ほぼ 200 のマップすべてが、1e11 のサンプリングされたイベントを考慮した単一のシミュレーションで計算されました。

赤道ポートプラグキャスクをポートセル#08からホットセルに移すことによって生成された線量率マップ(単位:μSv/h)の時間変化。黒い線は 1 mSv/h の線量率等高線を示しています。 0.1 μSv/h 未満の線量率は表示されていません。

図 11 は、赤道ポートプラグと第一壁パネルキャスクの移送中の放射線環境の複雑な性質を示しています。これは、L1 レベルの B11 の北西 (NW)、北東 (NE)、南西 (SW)、および南東 (SE) の遮蔽されたコーナー (B1 の遮蔽されたコーナーは図 9 に示されています) の、キャスクの移動全体にわたる平均線量率を示しています。距離。

移動距離にわたる赤道ポートプラグと 3 つの最初の壁パネルの移動について、L1 シールドコーナーで平均された線量率の時間変化。港湾セル、西、南、東のギャラリー、貨物リフト、およびそれ以降の位置が示されています。

図 11 は、線量率のピークとそれに関連するキャスクの位置を特定することに加えて、コンポーネントの方向とそれに関連する線量率分布 (図 8 を参照) が結果にどのように影響するかを示しています。例として、NE コーナーでは、ポートセル #8 からのポートプラグ転送が最高の線量率を提供します。これは、ギャラリーの東側に入ると、ポートプラグの最初の壁が北を向くためです。それは北東の角を「指しています」。一方、ポートプラグの最初の壁はポートセル #8 を出ると南を向くため、北西コーナーの線量率は最初の壁パネルの方が高くなります。

最初の壁パネルのベリリウムから放出される光中性子の放射マップが、トカマク複合施設で初めて作成されました。 3 つのパネルを搭載したキャスクは、ジオメトリのさまざまな位置に配置されています。図12は、SEシールドコーナーの前の光中性子束の例を示しています。そこにホストされている重要な電子機器が許容可能な放射線条件下で動作できるように、中性子束は10n・cm-2・s-1未満である必要があります。以前の研究では、機械の動作中のプラズマ中性子のこのような制限の順守に取り組んできました10が、最初の壁パネルの移動中のベリリウム光中性子のマップは作成されませんでした。光中性子束はそのような制限の遵守に異議を唱えるものではありません。図 12 は、線量率に対する光中性子の寄与も示しています。見てわかるように、最初の壁パネルの樽からの崩壊ガンマの寄与に関しては無視できるほどです。

L1 南東の遮蔽されたコーナーの前にある最初の壁パネルのキャスクからの放射線マップ。左：光中性子束（単位：n・cm−2・s−1）と等高線。中央: 崩壊ガンマによって生成された線量率 (μSv/h 単位)。右: 光中性子によって生成される線量率 (μSv/h 単位)。

ITER 施設内の放射線環境は、容器内コンポーネントの遠隔操作による保守シナリオ中に変化します。トランスファーキャスクの操作では、すべてのポートセルから高度に活性化された成分を抽出し、それらをギャラリー内で移動させる必要があります。そのためには、ポートセルのドアを開き、バイオシールドプラグやその他の機器を事前に取り外しておく必要があります。このような構成により、船内からポートセル、さらにはその先への流動現象が生じます。したがって、各移送操作の放射線環境は高い空間変動を示し、すべての操作を徹底的に調査する必要があります。

容器内コンポーネントの遠隔操作保守シナリオ中の ITER 放射線環境は、移送作業と放射線源に関する体系的なアプローチに従って対処されています。放射線環境への最も関連性のある寄与が考慮されており、ポートセルのドアが開いているときに船内に残っているコンポーネントによって引き起こされるものなど、初めて考慮されるものもあります。

完成後の形状と 2020 年のベースライン設計は、トカマク複合施設の MCNP モデルを更新するために考慮されています。建物の壁とスラブにおける約 4,800 のシステム貫通が含まれています。ホットセル、集会ホール、耐震スラブなどの補助建物の簡略化された形状も考慮されています。中性ビームセルと高電圧デッキ環境、およびトカマク冷却水システムの詳細な説明が含まれています。

D1SUNED の新しい機能は、放射線源の移動中に生成される核量を 1 回のシミュレーションで計算するために開発されました。さらに、キャスクの移動中の時間の離散化により、線量率の変化をビデオ形式で計算できるようになり、特に設計の最適化に役立ちます。最初の壁パネルのベリリウムからの光中性子束のマップが初めて計算され、シールドされたコーナーにおける電子機器の制限の遵守がチェックされました。

この記事で紹介した研究により、船内コンポーネントの遠隔操作保守シナリオにおける ITER 放射線環境に関する知識が向上しました。生成された高品質の結果は、ITER の公式放射線マップセットに組み込まれています。

Tokamak Complex CAD モデルの簡略化プロセスは Space Claim11 を使用して実行され、CAD から MCNP への変換は SuperMC12、13 を使用して実行されました。計算には Global Variance Reduction14 が使用されました。シミュレーションで考慮されるイベントの数は、分散削減と本番実行の両方で、1e9 から 1e11 の範囲内です。補足資料に示されている統計誤差は、MCNP の推奨に従って対象領域で 10% 未満です。 ITER 機構の推奨に従って、乗算安全係数 2 が結果に適用されます。

すべての放射線源は D1SUNED 手法で計算されています。放射化計算は ACAB コード 15 を使用して実行され、接触線量率の少なくとも 99% に寄与する放射性同位体の 99% の形成につながる経路が選択されました 16。一般に、FENDL 3.1c/d17 は中性子輸送に使用され、EAF200718 は放射化と光子輸送に使用されました。

バイオシールド内 ITER MCNP 参照モデル、C-Model19 と E-lite8 は両方とも、容器内コンポーネントのさまざまな放射線源を記録するために使用されています。前者は、最初の壁パネルとダイバータカセットの崩壊ガンマ線源と光中性子線源を記録します。後者は、トーラスクライオポンプと赤道および上部ポートプラグ用です。 DGS を計算する際には、完全なガンマエネルギー範囲が考慮されました。

光中性子源は、中性子 - 崩壊光子 - 光中性子のシミュレーションを組み合わせて計算され、1.66 MeV (Be における光中性子生成閾値) より高いエネルギーを持つ崩壊光子のみが考慮されました。

容器内に残留する活性化成分の線源はSRC-UNED7を用いて計算した。崩壊光子の情報は、E-lite モデルのバイオシールド (r = 1470 cm) のすぐ後ろの円筒面に記録され、外部 WSSA ファイルに保存されました。この放射線源が関連する場合 (ステージ 3 および 4) にマシン構成を適切にキャプチャするために、E-lite にいくつかの変更が実装されました。インタースペースおよびポートセル機器は、バイオシールドプラグおよびポートプラグとともに、ジオメトリから削除されました。この目的には、崩壊光子が輸送される細胞の材料 (および密度) を変更できる D1SUNED PMT が使用されました。この場合、ポートプラグ、バイオシールドプラグ、およびインタースペースおよびポートセル機器に属するすべてのセルに空気が「充填」されます。これらの細胞のいずれでも光子の生成は起こりません。

WSSA ファイルに保存された情報は、トカマク複合体 MCNP モデルで粒子のサンプリングと輸送に使用されるガンマ線源分布を生成するために使用されます。生成された分布の角度の広がりは、単一のバイオシールドプラグ領域をカバーします。セルが無効になっている場合、そのような領域の周囲のジオメトリは同じコンポーネントのすべてのポートで類似しているため、計算された分布は 4 つだけです。これらは、(i) L2 での上部ポートプラグの抽出、(ii) L1 での赤道ポートプラグと最初の壁パネルの抽出、(iii) ダイバータの抽出、および (iv) B1 でのトーラスクライオポンプの抽出を説明します。

計算は、船舶内寄与が計算されるポートプラグに一致するように方位角で分布を回転させることにより、トカマク複合体 MCNP モデルで実行されました。

提示されたデータとモデルは ITER 機構の知的財産です。本文および補足情報のデータは、データ取得の目的が結果の再現のみであることを受領者が書面で確認し、受領者が署名して返送した後、合理的な要求に応じて（責任著者へ）利用可能になります。機密保持契約により、データのいかなる部分もいかなる形でも配布されないことが確認されます。

MCNP6 v.2.0 コードは、オンラインで提供される手順 (https://mcnp.lanl.gov/mcnp_how_to_get_to_mcnp.shtml) に従って、ユーザーライセンスに基づいて放射線安全情報計算センター (RSICC、オークリッジ国立研究所) によって配布されます。 UNED によって開発された D1SUNED v.4.1.1 コードは、MCNP6 v.2.0 に対する独自のパッチコードです。コードは、コードを取得する目的が結果を再現することのみであることを受領者が書面で確認し、受領者が秘密保持契約書に署名して返送した後、合理的な要求に応じて（責任著者に）利用可能になります。コードの一部は何らかの方法で配布されます。

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この研究は、Euratom Research and Training プログラム (助成契約番号 101052200 — EUROfusion) を通じて欧州連合から資金提供を受けた EUROfusion コンソーシアムの枠組みの中で実施されました。ただし、表明された見解や意見は著者のみのものであり、必ずしも欧州連合または欧州委員会の見解や意見を反映しているわけではありません。欧州連合も欧州委員会もそれらに対して責任を負うことはできません。この作業は、UNED と ITER 機構との間の ITER 契約 IO/20/CT/6000000345 に基づいて実施されました。以下の方々のご支援に感謝いたします。Juan de la Cierva-incorporación プログラム 2016 への資金提供に対する MINECO。および I+D+i-Retos Investigación、Prj の下での資金提供。 ENE2015-70733R; I+D en Tecnologías、Prj の下にあるマドリッド共同体。テクノフュージョン (III)-CM、S2018/EMT-4437; スペインのEscuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UNED)、プロジェクト2022-ETSII-UNED-14。博士前契約（FPI）への資金提供についてはUNED。

この出版物で表明された見解は著者の単独の責任であり、必ずしも ITER 機構の見解を反映するものではありません。この機関も、その代理人も、この出版物に含まれる情報の使用に対して責任を負いません。この文書の内容は、ITER 機構が原子力事業者になることを約束するものではありません。

MJ ロックリン

現在の住所: オークリッジ国立研究所、One Bethel Valley Road、オークリッジ、テネシー州、米国

エネルギー工学部、国立通信教育大学 (UNED)、C/ Juan del Rosal 12、28040、マドリッド、スペイン

P. マルティネスアルベルトス、P. サウバン、R. フアレス

ITER 機構、Route de Vinon-sur-Verdon、CS 90 046、13067、St. Paul Lez Durance Cedex、フランス

MJ ロックリン & Y. ル・トンケズ

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PM は中性子モデルを作成しました。 PS がコードを開発しました。 RJ がこのアプローチを考案しました。 PM と PS が分析を考案し、実行し、MJL のサポートを受けてデータを解釈し、YTPM が記事を執筆しました。

P. マルティネス=アルベルトスへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

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転載と許可

Martínez-Albertos, P.、Sauvan, P.、Loughlin, MJ 他 D1SUNED を使用した容器内コンポーネントの遠隔操作操作中の ITER 放射線環境の評価。 Sci Rep 13、3544 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30534-x

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受信日: 2022 年 11 月 17 日

受理日: 2023 年 2 月 23 日

公開日: 2023 年 3 月 2 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30534-x

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