JRR-3冷中性子源装置の新型減速材容器に関わる熱流力設計

Thermal-hydraulic design calculations for JRR-3 cold neutron source with the new moderator cell

徳永 翔; 堀口 洋徳; 中村 剛実  

Tokunaga, Sho; Horiguchi, Hironori; Nakamura, Takemi

研究用原子炉JRR-3の冷中性子源装置(Cold Neutron Source: CNS)は、原子炉内で発生した熱中性子を減速材容器内に貯留した液体水素により減速し、エネルギーの低い冷中性子に変換する装置である。CNSから発生した冷中性子は、中性子導管を用いて実験装置に輸送され、生命科学、高分子科学、環境科学等を中心とする多くの物性研究に利用されている。中性子科学における世界の研究用原子炉との競争力を維持するためには、冷中性子強度の改善は不可欠であり、新たな知見を取り入れた新型CNSの開発を進めている。現行のJRR-3のCNSの減速材容器は、水筒型のステンレス製容器を採用しており、材質及び形状の変更により冷中性子束の強度を向上させることが可能である。そのため、新型減速材容器の基本仕様は、材質を中性子吸収断面積の小さいアルミニウム合金に変更し、さらに、モンテカルロ計算コードMCNPを用いて最適化した容器形状に変更した。これらの仕様変更に伴い、発熱や伝熱の条件に変更が生じることから、熱流力設計上の成立性を確認するため、JRR-3のCNSについて自己平衡性、熱輸送限界及び耐熱・耐圧等について改めて評価を行った。本報告書は、新型減速材容器に関わる熱流力設計上の評価を実施し、その結果を纏めたものである。

The cold neutron source (CNS) of the research reactor JRR-3 converts thermal neutrons generated in the reactor into low-energy cold neutrons by moderating them with liquid hydrogen stored in the moderator cell. Cold neutrons generated by the CNS are transported to experimental instruments using neutron conduits, and are used for many studies of physical properties, mainly in life science, polymer science, environmental science, etc. Improvement of cold neutron intensity is essential to maintain competitiveness with the world's research reactors in neutron science, and we are developing a new CNS that incorporates new knowledge. The current moderator cell for the CNS of JRR-3 is a stainless-steel container which is a canteen bottle type, and the cold neutron intensity can be improved by changing the material and shape. Therefore, the basic specifications of the new moderator cell were changed to aluminum alloy which has a smaller neutron absorption cross section, and the shape was optimized using a Monte Carlo code MCNP. Since these changes in specifications will result in changes in heat generation and heat transfer conditions, the CNS of JRR-3 was re-evaluated in terms of self-regulating characteristic, heat transport limits, heat resistance and pressure resistance, etc., to confirm its feasibility in thermal-hydraulic design. This report summarizes the results of the thermal-hydraulic design evaluation of the new moderator cell.