Pressure and temperature fluctuation simulation of J-PARC cryogenic hydrogen system

J-PARC低温水素システムの圧力・温度変動解析コードの開発

達本 衡輝; 大都 起一; 麻生 智一 ; 川上 善彦

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

J-PARC核破砕中性子源では1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界水素を用いて冷中性子に減速させてビームを供給する。陽子ビーム1MWのオン・オフに伴い、大きな熱負荷が与えられる。本システムでは、アキュムレータを用いた容量制御と陽子ビームによる核発熱分をヒータにより補償する方法を併用させて圧力制御を行う。本研究では、陽子ビーム入射・停止時のkWオーダーのステップ状の核発熱に伴う大きな温度・圧力変動を模擬し、効率の良い制御方法を開発するための解析コードを新たに開発した。300kWおよび600kW陽子ビーム入射時の解析を行い、温度・圧力変動の解析結果は実験結果と良く一致することを確認した。本解析コードは、1MWの場合の制御方法の模擬にも十分適用できるツールとして期待できる。

The J-PARC cryogenic hydrogen system provides supercritical cryogenic hydrogen to the moderators at a pressure of 1.5 MPa and temperature of 18 K and removes 3.8 kW of nuclear heat from the 1 MW proton beam operation. We prepared a heater for thermal compensation and an accumulator, with a bellows structure for volume control, to mitigate the pressure fluctuation caused by switching the proton beam on and off. In this study, a 1-D simulation code named DiSC-SH2 was developed to understand the propagation of pressure and temperature propagations through the hydrogen loop due to on and off switching of the proton beam. We confirmed that the simulated dynamic behaviors in the hydrogen loop for 300-kW and 500-kW proton beam operations agree well with the experimental data under the same conditions.