1MW陽子ビーム入射時におけるモデレータ容器内の極低温水素への熱伝達評価

Estimation of heat transfer in moderators filled with cryogenic hydrogen for proton beam power of 1 MW

達本 衡輝; 加藤 崇; 麻生 智一 ; 牛島 勇*; 長谷川 勝一   ; 大都 起一*

Tatsumoto, Hideki; Kato, Takashi; Aso, Tomokazu; Ushijima, Isamu*; Hasegawa, Shoichi; Otsu, Kiichi*

大強度陽子加速器計画の一環として、物質・生命科学実験施設では、核破砕反応によって発生した高速中性子を極低温水素で減速させる水素循環システムの設計・製作を行っている。本実験施設では、核破砕反応で発生した熱中性子の冷中性子への減速材(モデレータ)として極低温水素(温度20K,圧力0.5から1.5MPa)が採択された。1MWの陽子ビームにより発生した中性子によるモデレータ容器内での核発熱量は3.75kWと見積もられている。極低温水素循環システムは、極低温水素を強制循環させてモデレータ容器に供給することにより、熱中性子、及び、モデレータ容器の冷却を行う。運転圧力、及び、流速条件によっては、モデレータ容器内で沸騰を起こす可能性があり、中性子性能、及び、モデレータ容器の安全性に影響を与える沸騰を防止する設計とする必要がある。このためには、モデレータ容器内の極低温水素の熱伝達を評価する必要があるが、極低温水素の熱伝達特性はほとんど解明されていないのが現状である。本報告では、極低温水素の浸漬冷却・強制冷却特性を一般に用いられている熱伝達相関式に極低温水素の物性に合わせて評価し、極低温水素循環システムの運転状態の違いによるモデレータ容器の温度特性の検討を行った。

As one of the main experimental facilities in J-PARC, an intense spallation neutron source (JSNS) is constructed. In JSNS, cryogenic hydrogen with temperature of 20 K and pressure of 0.5 to 1.5 MPa was selected as the moderator. The total nuclear heating at the moderators is estimated to be 3.7 kW for proton beam power of 1 MW. A cryogenic hydrogen circulation system, which plays a role in cooling spallation neutron and moderators, has been designed. For a certain operation condition, it is possible to occur boiling in the moderators. The boiling phenomenon would have an influence on the neutronic performance and the safety of the moderators. The heat transfer mechanism of cryogenic hydrogen in the moderators needs to be estimated. However, the mechanism has not been clarified until now. In this paper, the heat transfer of cryogenic hydrogen was estimated by using properties of cryogenic hydrogen and the heat transfer correlations used in other fluids, and then the operation condition of the cryogenic hydrogen system has been considered.