Current status of pulsed spallation neutron source at J-PARC

J-PARCのパルス核破砕中性子源の現状

高田 弘   

Takada, Hiroshi

大強度陽子加速器施設のパルス核破砕中性子源は、3GeV、25Hzで1MWの大強度陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した中性子を液体水素モデレータとベリリウム・鉄反射体で減速し、高強度かつ狭いバルス幅の中性子を供給し、多様な物質科学・材料研究等の推進に役立てている。モデレータは100%濃度のパラ水素を使用し、その形状やターゲットに対する配置を最適化した結果、パルス当たりの中性子強度は同種の米国のSNS施設を上回る性能を有している。水銀ターゲット容器では、陽子ビーム入射で水銀中に生成する圧力波によるSUS316L製容器のピッティング損傷がその寿命を決定するため、目標とする1MWの大強度陽子ビームで長期間の運転を達成するためには、この損傷低減が最重要課題である。現在、微小気泡の注入や狭隘流路による速い水銀流れの効果で損傷低減を図っているが、平均406kWで670MWh運転した容器で25m程度の損傷を観測した。今後、2018年には新しく製作したターゲット容器で500kWで運転した後の損傷量を測定する予定であるが、狭隘流路部の改良による更なるピッティング損傷抑制手法の開発を検討している。また、使用済み機器から試験片を切り取り、原子力機構内の施設を活用した照射後試験も計画中である。

At the Japan Proton Accelerator Research Complex, a pulsed spallation neutron source provides neutrons with high-intensity and narrow pulse width to promote a variety field of materials science by injecting high power proton beam of 3-GeV, 1 MW at repetition rate of 25 Hz. The core components of the spallation neutron source are a mercury target, liquid hydrogen moderators and a reflector with beryllium and iron. Their sizes and arrangement were optimized to get superior neutronics performance for 100% para-hydrogen as the moderator material. Since the lifetime of the mercury target vessel made from SS316L steel is determined by the pitting damage induced by the pressure wave generated at the pulsed proton beam injection, mitigating the pitting damage is the most critical issue to achieve 1 MW operation for long time. So far, gas micro-bubbles injection technique and a target front structure to get faster mercury flow in narrow channel were employed for mitigating the pitting damage in the mercury target vessel. A pitting damage of 25 m was observed on the target front after 670 MWh operation with an average power of 406 kW. In 2018, it is planned to observe the target front of the newly manufactured target after operation with a power of 300 to 500 kW. Further developments of the narrow channel structure of the target front will be carried out. It is also planned to make post irradiation examination to study radiation damage of the target vessel in other facility of Japan Atomic Energy Agency.