Thermal stress analysis for a transfer line of hydrogen moderator in J-PARC

J-PARC水素モデレータ用輸送配管の熱応力解析

達本 衡輝; 勅使河原 誠   ; 麻生 智一 ; 大都 起一; 前川 藤夫  ; 加藤 崇

Tatsumoto, Hideki; Teshigawara, Makoto; Aso, Tomokazu; Otsu, Kiichi; Maekawa, Fujio; Kato, Takashi

JSNSでは、1MW級の核破砕中性子源用モデレータとして超臨界圧水素を採用し、高い中性子性能を得るために3つのモデレータ容器を用いられる。モデレータ容器とその輸送配管は高い放射線場にさらされるため、6年ごとに交換しなければならない。交換の際に、水素配管の取り外し作業だけは、人が行うため、交換位置であるベッセル上部での放射線量を十分下げる必要があり、モデレータの輸送配管の配管径をできるだけ小さくし、幾つかの曲がり部を設ける設計を行った。さらに、20Kに冷却した際に発生する熱収縮による低温配管と常温配管の接触を避けるために、スペーサーを導入した。複雑なモデレータ用水素輸送配管の熱収縮による変形、及び、応力集中を解析コードを用いて評価した。許容応力以下に保ち、かつ、配管の接触を避けられる最適なスペーサーの挿入位置を得ることができた。

In JSNS, cryogenic hydrogen at supercritical pressure is selected as a moderator material. Three kinds of hydrogen moderator are installed to provide higher neutronic performance. The transfer lines around the moderators should be changed every 6 years due to its radiation damage. The detachment of the transfer line will be only performed by a hands-on. Therefore, minimum pipe size and elbow-type bend sections are installed to reduce the radiation dose by the radiation streaming. Some spacers are installed so as to avoid touching the hydrogen pipe to the outer vacuum pipe due to thermal shrinkage. In the design, we should consider mechanical stress concentration, deformation, and, touching between the pipes due to the thermal shrinkage at the cryogenic hydrogen temperature. The appropriate locations of spacers to keep the thermal stress below an allowable stress and to avoid touching between the pipes were determined.