Operational characteristics of the J-PARC cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source

J-PARC核破砕中性子源用低温水素システムの運転性能

達本 衡輝; 大都 起一; 麻生 智一 ; 川上 善彦; 勅使河原 誠   

Tatsumoto, Hideki; Otsu, Kiichi; Aso, Tomokazu; Kawakami, Yoshihiko; Teshigawara, Makoto

J-PARCの物質生命科学実験施設は、陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した高速中性子をモデレータである1.5MPa、20K以下の超臨界圧の低温水素と衝突を繰り返すことにより減速した冷中性子ビームによる中性子実験を行う実験施設である。低温水素システムは、3台の水素モデレータに超臨界圧水素を供給し、そこで発生する核発熱(1MW陽子ビーム時に3.75kW)を強制冷却するための冷凍設備である。低温水素システムの性能評価を行うために、冷却過程におけるパラ水素濃度を測定し、常に平衡濃度で存在することを確認した。定格状態では、設計条件の99%以上を満たすことを確認した。さらに、過渡的な熱負荷を与えた場合の温度変動の伝播特性と熱交換器の特性を測定し、熱負荷補償するためのヒータ制御による許容温度変動量を評価した。286kWと524kWの高出力陽子ビーム入射時の温度伝播特性結果と比較し、この評価方法の妥当性を検証した。さらに、本実験結果に基づいて、1MW陽子ビーム運転時におけるヒータ制御による温度変動量は、許容値以下であることがわかり、安定な1MWの陽子ビーム運転の見通しが得られた。

The J-PARC cryogenic hydrogen system provides supercritical hydrogen provides to three moderators. A heater for the thermal compensation and a cryogenic accumulator are prepared to mitigate a pressure fluctuation. A feed temperature should be lower than 20 K and its fluctuation should be within 0.25 K to provide cold pulsed neutron beams of a higher neutronic performance. An ortho-para hydrogen convertor is installed to maintain the para-hydrogen concentration of more than 99.0%. In this study, it is confirmed that para-hydrogen always exists in the equilibrium concentration during the cool-down process. Propagation characteristics of temperature fluctuation caused by sudden heater power variations were studied. An allowable temperature fluctuation caused by the heater control approach is determined to be 1.05 K. It is found that the heater control would be applicable for the 1-MW proton beam operation by extrapolating from the experimental data for on-beam commissioning.