Performance evaluation of a developed orifice type heater for thermal compensation control at J-PARC cryogenic hydrogen system

J-PARC低温水素システムの熱負荷補償用オリフィス型ヒータの性能評価

達本 衡輝; 麻生 智一 ; 大都 起一; 川上 善彦

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

J-PARCの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、新たに開発した小型で大容量加熱が可能なオリフィス型ヒータを用いて、その出力をステップ状に変化させた場合の応答速度を測定し、設計どおりの性能が得られたことを確認した。さらに、実験結果に基づき、開発した動的挙動解析コードにヒータ制御のPID制御パラメータを決定し、実験結果と良く一致することを確認した。600kWビーム入射時では、ビームのオン・オフに対する追従性が成り立たなくなってもPI定数を最適化することにより、フィードバック制御だけで十分圧力変動を抑えることが解析で確認できた。

Supercritical hydrogen with a temperature of less than 20 K and a pressure of 1.5 MPa is used as moderator material at J-PARC. Total nuclear heating of 3.75 kW is generated by three moderators for a 1-MW proton beam operation. We have developed an orifice-type high-power heater for thermal compensation to mitigate hydrogen pressure fluctuation caused by the abrupt huge heat load and to reduce the fluctuation in the temperature of the supply hydrogen to less than 0.25 K. Through a performance test, we confirmed that the developed orifice-type heater could be heated uniformly and showed fast response, as expected. Furthermore, a simulation model that can describe heater behaviors has been established on the basis of the experimental data. The heater control approach was studied using the aforementioned heater simulation model and a dynamic simulation code developed by the authors.