Pressure drop evaluation of the hydrogen circulation system for JSNS

JSNS水素循環システムの圧力損失評価

達本 衡輝; 麻生 智一 ; 大都 起一; 加藤 崇; 二川 正敏  

Tatsumoto, Hideki; Aso, Tomokazu; Otsu, Kiichi; Kato, Takashi; Futakawa, Masatoshi

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。低温水素システムの運転方法を検討するための解析コードを開発するためには、低温水素システム内の圧力損失を正確に評価する必要があった。本研究では、汎用の解析コードを用いて複雑な形状の構成機器の圧力損失を各々評価し、その解析結果を14%以内で記述できる圧力損失の相関式を導出することができた。

In J-PARC, an intense spallation neutron source (JSNS) driven by a proton beam of 1 MW has selected supercritical hydrogen with a temperature of around 20 K and the pressure of 1.5 MPa as a moderator material. A hydrogen circulation system has been designed to provide supercritical hydrogen to the moderators and remove the nuclear heating there. It is important for the cooling design of the hydrogen circulation system to understand the pressure drops through the equipments. In this work, the pressure drop through each component was analyzed by using a CFD code, STAR-CD. The correlation of the pressure drops through the components that can describe the analytical results within 14 % differences has been derived. It is confirmed that the pressure drop in the hydrogen circulation system would be estimated to be 37 kPa for the circulation flow rate of 160 g/s by using the correlations derived here, and is sufficiently lower than the allowable pump head of 100 kPa.