Dynamic behavior of the cryogenic hydrogen system using only a heater control

ヒータ制御による低温水素システムの動的特性

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

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

陽子ビーム1MW時において、J-PARC核破砕中性子源の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、大容量の超臨界圧低温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、ヒータによる熱補償制御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、安定な120kW陽子ビーム運転を実施してきた。しかしながら、2010年2月にこのアキュムレータのベローズ部において、内部リークがみつかり、復旧に数か月かかると見積もられたが、早急に120kWの陽子ビーム運転を再開する必要があった。そこで、120kW陽子ビーム時の核発熱は450Wと比較的小さいので、ヒータのみでその圧力変動を制御できるか検討を行った結果、一部改造することにより、運転可能な見通しを得ることができた。120kW陽子ビーム入射時において性能評価試験を実施し、圧力変動は設計値以下の40kPaに抑制できることを確認し、その後の2か月にわたる共用運転を実施した。

A pressure control system, which consists of a heater for the thermal compensation and a cryogenic accumulator with a bellows acting as a volume controller, is prepared to mitigate a pressure fluctuation caused by the sudden heat load of kW-order. A stable operation of the cryogenic hydrogen system has been conducted since May 2008. However, a major cryogenic accumulator failure was encountered during a short maintenance period, in February 2010. In order to resume the 120-kW proton beam operation as soon as possible, we studied the temporary operational approach without using the cryogenic accumulator because the heat load was relatively low and improved a part of the hydrogen loop temporarily. It was confirmed through an on-beam commissioning that the pressure rise could be mitigated below the allowable value of 100 kPa using only the heater control. The 120-kW proton beam operation was successfully resumed two months later.