Mercury target thermal hydraulic design for JAERI spallation neutron source

原研核破砕中性子源の水銀ターゲット熱流力設計

神永 雅紀  ; 羽賀 勝洋  ; 木下 秀孝   ; 寺田 敦彦*  ; 小池上 一*; 日野 竜太郎

Kaminaga, Masanori; Haga, Katsuhiro; Kinoshita, Hidetaka; Terada, Atsuhiko*; Koikegami, Hajime*; Hino, Ryutaro

大強度の中性子を生命・物質科学の分野の研究に使用するために1MWの核破砕中性子源の建設を進めている。核破砕中性子源は、水銀ターゲットに0.333mAの電流を持つ高エネルギー(3.0GeV)陽子ビームを25Hz(パルス幅1s以下)で入射し中性子を発生させる。クロスフロータイプ(CFT)水銀ターゲットは、3GeV・1MW陽子ビーム入射条件下の核破砕反応によって生じる軸方向の発熱密度分布に対して最適な水銀流量配分となるようにSTAR-CDコードの解析結果に基づき設計した。本論文では、ブレード型流配板を用いたCFTターゲットの熱流動解析結果について述べる。解析では、入口温度50C,入口水銀流速1.0m/sを仮定した。その結果、2.48m/sの最大流速は、出口プレナムの先端部近傍近くに観察され、水銀最高温度125.5Cは、体積発熱密度が相対的に大きなビーム窓付近で観察された。最高温度は、大気圧の下で水銀飽和温度356Cを大きく下回っており、水銀ターゲットの熱流力設計基準における最高水銀温度300Cを満足することを確認した。

1MW pulsed spallation neutron source using a mercury target will be constructed in order to produce high-intensity neutrons for use in the fields of life and material sciences. The mercury target is proposed using a high-energy (3.0GeV) proton beam with a current of 0.333mA and operating at 25 Hz with a pulse duration less than 1s. A cross flow type (CFT) mercury target has been designed in order to distribute mercury flow according to an axial heat generation distribution caused by spallation reaction, based on the thermal hydraulic analytical results of 3GeV, 1MW proton beam injection by using the STAR-CD code. This paper presents the final CFD analytical results. In the analysis, an inlet temperature of 50C and an inlet mercury velocity of 1.0m/s were assumed. As results, a maximum velocity of 2.48m/s was observed near the front end of the outlet plenum and a maximum of 125.5C was observed near the beam window where the volumetric heat generation rate was relatively large. The maximum temperature is far below the mercury saturation temperature of 356C under atmospheric pressure. This result satisfied the thermal-hydraulic design criteria of "Maximum mercury temperature in the target shall be less than 300C".