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粉川 広行; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 都築 峰幸*; 村井 哲郎*
JAEA-Technology 2022-023, 128 Pages, 2022/11
JAEA-Technology-2022-023.pdf:9.0MB
大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設では、ステンレス製の水銀標的容器内で流動する水銀にパルス陽子ビームを繰り返し入射し、核破砕反応により生成する中性子を最先端科学実験に供する。パルス陽子ビーム入射に伴い、水銀中には圧力波が発生し、圧力波の伝播と容器変形の相互干渉に起因するキャビテーション損傷、特に陽子ビーム入射部の損傷が標的容器の寿命を支配する。圧力波及び損傷の低減対策として、ヘリウムの微小気泡を水銀中に注入する方法を開発し、圧力波及び損傷の低減を実証した。所期の1MWの大強度陽子ビーム下における水銀標的容器の耐久性を向上させるには損傷をさらに低減する必要がある。微小気泡による圧力波低減効果の向上には、水銀中での直径が150
m以下である気泡の体積含有率を高めることが求められる。気泡生成器から注入した気泡は浮力による上昇や流動過程での合泡などを起こし、水銀内を流動中に気泡の体積含有率は低下する。気泡生成器の設置位置を損傷が激しいビーム入射部に近づければ、ビーム入射部近傍の気泡体積含有率の低下を防ぐことが可能である。しかし、ビーム入射部に近づくほど、気泡生成器の設置空間が狭く流動抵抗が大きくなるため、冷却に十分な水銀流量の確保が困難になることや、水銀流速の低下により生成気泡径が大きくなる等の弊害が生じる。そこで、標的容器のビーム入射部近傍でより小さな気泡を高い密度で分布できるように、標的容器内部における気泡生成器の形状や設置位置、さらに水銀流動案内羽根の形状に関して機械学習による設計の最適化を試みた。気泡分布を考慮した水銀標的構造の設計では、多数の設計変数を考慮する必要があることから、ラテン超方格法に基づき約1000ケースの設計変数について数値解析を実施し、その結果を学習データとしてビーム入射部近傍での気泡分布(サイズや数密度)が最適になる設計を決定した。水銀の流量は標的容器の温度に、気泡生成器の形状は製作性や生成気泡径に影響を及ぼすことから、これらを制約条件とした。その結果、ビーム入射部近傍で半径が150m以下の気泡の密度を約20%増大できる解を見出した。
高田 弘
JAEA-Conf 2017-001, p.51 - 56, 2018/01
大強度陽子加速器施設(J-PARC)のパルス核破砕中性子源は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、ビーム強度1MWの陽子ビームで生成した中性子ビームを中性子実験装置で利用し、物質科学の多様な先端的研究を推進することを目的としている。2015年には、1MW相当の陽子ビームパルスを初めて入射し、また、利用運転のビーム強度を500kWに上げた。この中性子源の減速材システムは最適化設計により、(1)濃度100%のパラ水素を使用して高いピーク強度かつ幅の狭いパルス中性子ビームをつくる、(2)直径14cm、長さ12cmの円筒形状を採用し、高強度の中性子を50.8
の広角度範囲に取り出すことができる、(3)Ag-In-Cd合金による中性子吸収材を使用し、幅が狭く減衰の早いパルス中性子が得られる。これにより、世界最高強度のパルス中性子ビームを供給する性能を有している。現在、1MWで年間に5000時間の運転を行うという目標に向けて、水銀標的容器前部で生じるキャビテーション損傷を、微小気泡を注入して抑制する技術開発を実施中である。また、2015年に500kWのビーム強度で運転中、水銀標的の水冷保護容器が2回不具合を起こしたため、標的容器構造の設計改良に取り組んでいる。
羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 若井 栄一; 高田 弘
no journal, ,
J-PARCの核破砕中性子源(JSNS)の水銀標的では、2015年の500kW運転中に熱応力に起因して保護容器の不具合が二度生じた。SUS316L製の標的容器は、水銀容器及び内側と外側の保護容器の三重壁構造で構成され、水銀容器と内側保護容器の間はヘリウムで満たされている。最初の不具合は、外側保護容器の欠陥であり、その場所はボルト結合部周囲の溶接箇所であった。次の不具合は、保護容器の内側のヘリウム層で検出された。FEM解析により、欠陥は陽子ビームのトリップに起因する熱サイクルに伴う疲労き裂が進展して生じたことが示唆された。何れの不具合も未溶接部を残す標的容器の複雑な設計が原因であったと考えられたため、次に製作する標的容器の設計では、溶接線を約30%低減し、ボルト結合を可能な限り減らすよう改良を施した。
松田 洋樹; 明午 伸一郎; 岩元 大樹
no journal, ,
現在、世界各国で研究開発が進められているADSを含む大強度中性子源施設は、標的の周りに重厚な遮蔽体を置くことで周囲の線量を低く抑える構造となっているが、標的上流側の180方向には陽子ビームダクトを介して大量の核破砕中性子が漏洩し、この漏洩中性子が施設の遮蔽設計に重大なインパクトを与える。そのため、核反応モデルによる180方向における核破砕中性子エネルギースペクトルの予測精度の向上は、当施設の遮蔽設計に極めて重要である。本研究では、大強度陽子加速器施設J-PARCの加速器から加速された3GeV陽子ビームを物質生命科学実験施設MLFの水銀標的に照射し、標的から180方向に放出される核破砕中性子のエネルギースペクトル測定実験を実施した。測定実験では、飛行時間法を用い、核破砕中性子収量が支配的である0.5MeVから20MeV付近のエネルギー領域を測定した。標的から約125m上流側に設置された偏向電磁石付近に液体有機シンチレータを設置し、様々なビーム強度を変更した条件において中性子エネルギースペクトルを測定した。オフライン解析により、パイルアップ及び検出効率を考慮した補正を行い、中性子エネルギースペクトルを決定した。PHITSコードに組み込まれている核反応モデルとの比較の結果、INCL4.6/GEMは0.8MeVから20MeVの範囲で実験値をよく再現することが分かった。
粉川 広行; 川島 広之; 有吉 玄; 涌井 隆; 猿田 晃一; 直江 崇; 羽賀 勝洋; 二川 正敏; 祖山 均*; 久慈 千栄子*; et al.
no journal, ,
J-PARCの核破砕中性子源施設では、使用済み水銀標的容器の保管数削減の観点から、容器の耐久性向上が求められている。容器の長寿命化のために、水銀中にヘリウムガスの微小気泡を注入して、ガス気泡が陽子ビーム入射による水銀の熱膨張を吸収することで、損傷の要因となる圧力波を低減する運転を実施している。容器の損傷を観察した結果、ガス気泡の注入量増加によって損傷の抑制を確認した一方で、ガス気泡からの衝撃圧によるものと考えられる損傷を観察した。耐久性を向上するためには、微小ガス気泡によるキャビテーション抑制効果とガス気泡が発する衝撃圧力の相関を把握して最適な気泡条件を見出すとともに、照射損傷に対する材料の健全性評価及び異常診断技術の導入が重要となる。本報では、シリーズ発表の第1報として、高出力条件下での長寿命化を目指した水銀標的の研究開発の概要とガス気泡の攻撃によると考えられる損傷結果について報告する。
涌井 隆; 斎藤 滋; 若井 栄一; 酒井 知紀*; 森 孝太郎*; 二川 正敏
no journal, ,
J-PARCにおける核破砕水銀標的の寿命を決定する支配因子の1つは、陽子及び中性子による照射損傷である。われわれは、これまで、非照射材に対して、微小押込み試験から引張特性を評価する逆解析手法を提案してきた。本研究では、核破砕条件による照射損傷を模擬したイオン照射材に本評価手法を適用し、その評価結果と米国SNSの水銀標的の照射後試験結果の比較により、本手法の妥当性について検討する。この検討結果を踏まえ、使用済み容器から採取した試料に対して押込み試験を行うことにより、硬度や本評価手法から得られる引張特性から、照射損傷に重畳する様々な影響(繰返し応力による疲労温度及び水銀による変質など)も考慮した余寿命評価が行えることが期待される。本報では、評価手法やその妥当性について議論する。
有吉 玄; 伊藤 啓*; 粉川 広行; 二川 正敏
no journal, ,
大強度陽子加速器施設(J-PARC)における核破砕水銀標的では、圧力波による標的容器のキャビテーション損傷が問題視されており、水銀中に微小He気泡を混合した水銀-He二相流を利用する損傷抑制技術が開発されている。圧力波の抑制・減衰に有効な固有振動数を有する気泡の半径は約0.1mm以下とされているが、水銀流中における微小気泡の合体・分裂挙動により、最も損傷抑制が要求される陽子ビーム窓部の気泡半径が適正値と異なり得ることが予想される。したがって、水銀-He二相流における気泡半径分布等の二相流特性に関する実験データの取得およびそれを基にした予測モデルの構築が必要となる。そこで本研究では、水銀標的内部における気泡半径分布の予測を目的として、空気-水二相流をモデル流体とした微小気泡の合体・分裂挙動の可視化実験および数値予測コードの開発を行った。本報では、可視化実験結果および予測コードの開発状況について報告する。
村田 篤*; 猿田 晃一; 涌井 隆; Li, Y.*; 筒井 喜平*; 二川 正敏
no journal, ,
振動法や音響法は、構造物の異常診断技術として多様な産業分野で利用されている。これらの異常診断法では、計測に加速度計やマイクロフォンなどの電気センサを使用するが、放射線環境下では電離作用による電気ノイズの影響で信号が著しく劣化する。そのため、原子炉や核破砕中性子源といった高放射線環境の異常診断システムでは、従来電気センサの利用には限界がある。本研究では、放射線の影響を受けない光計測の特徴に着眼し、レーザードップラー振動計を用いた光音響計測について、水銀標的異常診断技術への適用性を実験と有限要素法による数値解析で評価した。
