Pressure control characteristics of the cryogenic hydrogen system for a 300-kW proton beam operation

300kWビーム運転時における低温水素システムの圧力制御特性

達本 衡輝; 麻生 智一 ; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏  

Tatsumoto, Hideki; Aso, Tomokazu; Otsu, Kiichi; Uehara, Toshiaki; Sakurayama, Hisashi; Kawakami, Yoshihiko; Kato, Takashi; Futakawa, Masatoshi

J-PARC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用いて冷中性子に減速したビームを供給する。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の大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温水素システムを製作した。陽子ビームの入射・停止時における大きな圧力変動を抑制するために、開発したヒータによる熱補償とアキュムレータによる容積変動制御を併用した圧力制御機構を開発した。初めての300kW陽子ビーム運転時において、低温水素システムの圧力変動試験も同時に行い、300kWビーム入射・停止時における圧力変動を13.5kPa以下に抑えることに成功した。また、開発した数値解析モデルは、実験結果を15%以内で予測することができた。1MW運転における圧力変動は設計圧力変動値より低い40kPaに抑えられることが解析により明らかになり、本圧力制御システムは、1MWビーム運転時においても有効であると期待できる。

The cryogenic hydrogen system provides supercritical hydrogen to three hydrogen moderators and removes the nuclear heating of 3.75 kW for a 1-MW proton beam operation at the J-PARC. A pressure control system that used a heater and an accumulator was designed to mitigate a pressure fluctuation caused by the sudden heat load of kW-order. The temperature and pressure behaviors were studied for a 300-kW beam operation. It was confirmed that the pressure control system made it possible to reduce the pressure fluctuation below 13.5 kPa. A simulation model was derived and could describe the experimental results within 15% errors.