Design of hydrogen vent line for the cryogenic hydrogen system in J-PARC

J-PARC低温水素システムにおける水素放出設備の設計

達本 衡輝; 麻生 智一 ; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一   ; 前川 藤夫  ; 二川 正敏  

Tatsumoto, Hideki; Aso, Tomokazu; Kato, Takashi; Otsu, Kiichi; Hasegawa, Shoichi; Maekawa, Fujio; Futakawa, Masatoshi

大強度陽子加速器計画において、物質・生命科学実験施設では、1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した速い中性子を超臨界圧水素によって減速(冷却)するための極低温水素循環システムの設計製作を行っている。異常事象が発生した場合は、安全の観点から、系内の水素を迅速かつ安全に放出するための水素放出設備の設計を行った。水素放出配管内での空気との混合を防止するためのパージ用の窒素ガスをパージしている。その水素放出配管の設計するうえにおいて、このパージ用の窒素ガスやスタック内空気の水分が、放出した低温水素ガスによって、凝縮しないようにしなければならない。さらに、放出配管の建家貫通部における配管温度の降下も防がなければならない。そこで、最大水素放出時における放出配管内の温度変動を解析し、その結果に基づいて、必要な放出配管サイズ及び建家内のレイアウトを決めた。

As one of the main experimental facilities in J-PARC, an intense spallation neutron source (JSNS) driven by a 1-MW proton beam selected supercritical hydrogen at the temperature of 20 K and the pressure of 1.5 MPa as a moderator material. A cryogenic hydrogen system plays a role in cooling the moderators. For safety reasons, we have designed a hydrogen relief system that can release hydrogen to the outside safely, even if some off-normal events occur. The design of the hydrogen vent line should be considered to prevent the cryogenic hydrogen from freezing purge nitrogen gas in the vent line and freezing moisture in the stack placed in an outdoor location, and to inhibit the piping temperature drop at the building wall penetration. In this work, the temperature change behaviors in the hydrogen vent line were analyzed by using a CFD code, STAR-CD. We determined the required sizes of the vent line based on the analytical results and its layout in the building.