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論文

Cavitation damage in double-walled mercury target vessel

直江 崇; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 原田 正英; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 506, p.35 - 42, 2018/08

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

J-APRCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、ビーム窓と呼ばれる厚さ3mmの先端部分が、陽子線励起圧力波よるキャビテーションにより壊食損傷する。この損傷は容器の構造健全性を低下させ、容器の寿命の決定因子となっている。我々は、2014年からキャビテーション損傷及びそれを誘発する圧力波を低減するために、気泡注入に加えて狭隘流路を設置することで、ビーム窓の水銀流速を速める2重壁構造を採用し、300$$sim$$500kWの強度で運転を行った。使用済みの容器を切断し、内壁を観察した結果、狭隘流路の内側で最大深さ約25$$mu$$mの帯状の損傷が観測された。この原因を調べるために、負圧の持続時間に着目した圧力波伝ぱ解析を実施した結果、ビーム入射直後から1msまでに生じる負圧の持続する時間をマッピングした結果と、形成された損傷の分布がよく対応しており、比較的短時間の負圧によって生じるキャビテーションが損傷形成に寄与していることを示唆した。

論文

Off-gas processing system operations for mercury target vessel replacement at J-PARC

甲斐 哲也; 内田 敏嗣; 木下 秀孝; 関 正和; 大井 元貴; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 春日井 好己; 高田 弘

Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012042_1 - 012042_4, 2018/06

At J-PARC an Off-gas processing system has been utilized to a purging process before the target vessel replacement and an air-flow control procedure to minimize radioactivity release during the replacement. In 2011 the first replacement was carried out after a 500 MWh operation, and the tritium release was measured. It was suggested that the tritium release must be less than that measured at the replacement in 2011 even at the nominal operation of 5,000 MWh. Some procedures of an air-flow control and a rubber plug insertion have been introduced from the replacements in 2013, resulting that the amount of tritium release could be reduced to less than that released in 2011 at the nominal operation.

論文

Cavitation damage prediction for the JSNS mercury target vessel

直江 崇; 粉川 広行; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 木下 秀孝; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 468, p.313 - 320, 2016/01

BB2014-2665.pdf:3.4MB

 被引用回数:2 パーセンタイル:57.25(Materials Science, Multidisciplinary)

J-PARCの核破砕中性子源(JSNS)水銀ターゲット容器は、陽子線入射励起圧力波により励起されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーションによる損傷は、容器の構造健全性を低下させるため現在のところ容器の交換寿命を決める支配因子となっている。圧力波及びキャビテーションによる損傷を低減するためには、水銀中にガスマイクロバブルを注入することが効果的な手法である。JSNSでは、ガスマイクロバブルを注入するためのシステムを2012年10月に設置し、レーザードップラー振動計を用いて容器の振動をモニタリングすることによって水銀中へのバブル注入の効果をした。その結果、振動速度は気泡注入量の増加に伴って減少することを確認した。また長期間の運転では、気泡注入によって平均でバブル注入無しの1/4程度の振動速度を維持した。

論文

Research and development of high intensity beam transport to the target facilities at J-PARC

明午 伸一郎; 大井 元貴; 池崎 清美*; 川崎 智之; 木下 秀孝; 圷 敦*; 西川 雅章*; 福田 真平

Proceedings of 12th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp '15), p.255 - 260, 2016/00

At the J-PARC, spallation neutron and muon sources has built at placed at the MLF by using 3-GeVproton beam. By the result of post irradiation examination of the mercury target vessel, damage was found on the surface of the vessel due to the pitting erosion caused by the proton beam. Since the pitting erosion is known to be proportional to the 4th power of the beam current density, peak current density should be kept as low as possible so that beam-flattening system by nonlinear beam optics using octupole magnets was developed. For efficiently beam tuning, a tool was developed by using SAD code system. By the result of the beam study, the peak current density at the target can be reduced by 30% with the present nonlinear optics.

論文

Development of microbubble generator for suppression of pressure waves in mercury target of spallation source

粉川 広行; 直江 崇; 京藤 敏達*; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 二川 正敏

Journal of Nuclear Science and Technology, 52(12), p.1461 - 1469, 2015/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:43.49(Nuclear Science & Technology)特願 2010-015204   公報

MW級核破砕中性子源の水銀ターゲットでは、大強度のパルス陽子ビーム入射により圧力波が発生する。圧力波の伝ぱはターゲット容器壁に沿って負圧の発生を引き起こし、キャビテーション損傷により容器が損傷する。ヘリウムガスの微小気泡を水銀中に注入することは圧力波及びキャビテーション損傷を抑制する効果的な技術の一つである。生成する気泡の大きさとJSNSの水銀ターゲットシステムへの設置のしやすさを考慮した場合、液体の旋回流を用いた気泡生成器(旋回流型気泡生成器)が気泡生成器として適していることが分かった。しかし、一つの旋回流型気泡発生器を流動する水銀中に用いた場合、生成器の下流に水銀の旋回流が残り、残留する旋回流は気泡の合体を引き起こし、結果として圧力波の抑制効果は十分でなくなる。この課題を解決するために、複数の旋回流気泡発生器を水銀の流動方向に垂直な面に並べた複数旋回流型気泡生成器を開発した。JSNSの運転条件で試験を行い、圧力波を抑制することが期待できる半径65$$mu$$mの気泡を生成できることを確認した。

論文

Damage inspection of the first mercury target vessel of JSNS

直江 崇; 勅使河原 誠; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 450(1-3), p.123 - 129, 2014/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:43.1(Materials Science, Multidisciplinary)

J-PARCの核破砕中性子源施設では水銀ターゲットシステムを採用している。SUS316L製の水銀ターゲット容器は高強度の陽子及び中性子に曝される。特に、水銀と接する容器内壁は、圧力波によって励起されるキャビテーションによる損傷を受ける。2011年3月の東日本大震災の影響により、水銀ターゲット容器の一部が故障したため、2011年11月にこれを新しい容器に交換した。このとき、使用済みのターゲット容器先端部をホールソーを用いて切り出し、内部に形成されているキャビテーション損傷及び水銀流動によるエロージョンを観察した。その結果、構造健全性に影響を与えるような流動によるエロージョンは観測されなかった。また、ターゲット容器内壁中心部及び15mm程度離れた位置に、キャビテーションによる損傷が集中している箇所が見られた。詳細な分析の結果、中心部では、深さ約250$$mu$$mの損傷が形成されていることが明らかとなった。

論文

Experimental study on heat transfer and pressure drop in mercury flow system for spallation neutron source

木下 秀孝; 神永 雅紀; 羽賀 勝洋; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎

Journal of Nuclear Science and Technology, 50(4), p.400 - 408, 2013/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:62.81(Nuclear Science & Technology)

水銀を用いたMWクラスの中性子源を設計するうえで、確実性の高い安全を保つことは非常に重要である。水銀を用いた核破砕ターゲットシステムの安全性を確立するためには、水銀の熱流動特性を理解することが肝要である。最大流量1.2m$$^{3}$$/hの水銀実験ループを用いて熱流動実験を行うことで、以下の結論を得た。水銀の摩擦損失係数はBlasiusの式よりも比較的大きく壁粗さの影響を受ける。熱伝達係数に関してはSubbotinの式によく一致する。さらに、設計解析コードの検証のためSTAR-CDコードを用いて実験系を再現するように熱流動解析を実施した。水銀に適した乱流プラントル数と最適化したメッシュサイズを用いることで解析は実験結果とよく一致した。

報告書

核破砕中性子源使用済み機器の保守; モデレータ・反射体,陽子ビーム窓

勅使河原 誠; 木下 秀孝; 涌井 隆; 明午 伸一郎; 関 正和; 原田 正英; 伊藤 学; 鈴木 徹; 池崎 清美; 前川 藤夫; et al.

JAEA-Technology 2012-024, 303 Pages, 2012/07

JAEA-Technology-2012-024.pdf:46.04MB

J-PARC構成施設のひとつ核破砕中性子源である物質・生命科学実験施設(MLF)では、中性子を発生するため3GeVまで加速された陽子ビームが、水銀ターゲットに入射する。高エネルギーの陽子や中性子に晒された機器(ターゲット容器,モデレータ,反射体及び陽子ビーム窓)は、照射損傷を受けるため、定期的な交換保守を必要とする。使用済み機器は高度に放射化され、遠隔による交換保守が必要となる。使用済みの機器の交換保守が行える保守シナリオを構築し、必要な設備をホットセル内及びMLF内に導入した。保守シナリオの整合性を確認するため実機を用いて予備試験を行った。本報告書では、使用済み機器(モデレータ・反射体,陽子ビーム窓を対象)について、予備試験を通して得られた知見をもとに、使用済み機器の取り扱いに反映することを目的とし、交換保守に関する問題点と解決策等を報告する。

報告書

J-PARC MLF使用済放射化機器保管計画検討結果

木下 秀孝; 涌井 隆; 松井 寛樹; 前川 藤夫; 春日井 好己; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 明午 伸一郎; 関 正和; 坂元 眞一; et al.

JAEA-Technology 2011-040, 154 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2011-040.pdf:8.08MB

物質・生命科学実験施設(MLF)で発生する放射化機器については、高度に放射化しているものが多く、簡易な保管設備では保管できない。これまで、MLFの放射化物を対象として、原子力科学研究所内施設を利用した保管についての検討を行ってきたが、具体的な実施計画等の立案には至っていない。本報告では、MLFで発生する機器の概要や保管計画検討の経緯,現状での放射化機器発生予定,保管予定施設の状況についてまとめた。放射化機器の発生予定と保管予定施設(ホットラボ)の計画を照らし合わせた結果、双方の計画には隔たりがあることがわかった。また、ホットラボにおいて、現在の建物の状態や保管設備として利用するために必要な改修に関してコスト評価を行った結果、ホットラボを利用することに新規施設の建設と比較して優位性を見いだせないと結論できた。このため、新規施設建設に向けた検討を早急に行うこととした。

報告書

東日本大地震のJ-PARC中性子源ステーションに対する影響

酒井 健二; 坂元 眞一; 木下 秀孝; 関 正和; 羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 春日井 好己; 達本 衡輝; et al.

JAEA-Technology 2011-039, 121 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2011-039.pdf:10.87MB

本報告では、東日本大震災の発生時におけるJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子源ステーションの挙動,被害,復旧状況を調査し、本ステーションの緊急事態に対する安全設計について検証する。大震災発生時、MLFでは、幾つかの機器で大きな揺れを検知した後、外部電源が喪失し、全循環システムが自動停止した。水素は設計通り屋外に放出され、機器異常による水銀,水素,放射性ガスの漏えいも生じなかった。一方、激しい揺れは、遮蔽体ブロックのずれ、建屋周辺の地盤沈下による外部供給配管の破断を引き起こした。この配管破断による圧縮空気の圧力低下は、水銀ターゲット台車固定装置などに影響を及ぼしたが、主要機器の大きな破損までは至らなかった。これらの結果は、本ステーションの緊急事態に対する安全設計の妥当性を実証できたとともに、幾つかの改善点も見いだされた。

論文

Influence of Great East Japan Earthquake on neutron target station in J-PARC

酒井 健二; 二川 正敏; 高田 弘; 坂元 眞一; 前川 藤夫; 木下 秀孝; 関 正和; 羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; et al.

Proceedings of 20th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-20) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2012/03

本報告では、東日本大震災の発生時におけるJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子源ステーションの挙動、被害状況を調査する。大震災発生時、MLFでは幾つかの機器で大きな揺れを検知した後、外部電源が喪失し、全循環システムが自動停止した。水素は設計通り屋外に放出され、機器異常による水銀, 水素, 放射性ガスの漏えいも生じなかった。一方、激しい揺れは遮蔽体ブロックのずれ、建屋周辺の地盤沈下による外部供給配管の破断を引き起こした。この配管破断による圧縮空気の喪失は、圧空シリンダーを用いた固定装置や空気操作弁などに影響を及ぼしたが、主要機器の大きな破損までは至らなかった。これらの結果は、本ステーションの緊急事態に対する安全設計の妥当性を実証した。

論文

Distribution of microbubble sizes and behavior of large bubbles in mercury flow in a mockup target model of J-PARC

羽賀 勝洋; 直江 崇; 粉川 広行; 木下 秀孝; 井田 真人; 二川 正敏; Riemer, B.*; Wendel, M.*; Felde, D.*; Abdou, A.*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(10), p.849 - 852, 2010/10

物質・生命科学実験施設の中性子源である水銀ターゲットでは、陽子ビームのパルス入射により引き起こされる圧力波がターゲット壁面にキャビテーション壊食を生じさせることが懸念されている。これを防ぐため水銀中にヘリウムの微細気泡を注入する技術開発の一環として、大型水銀ループを用いた実機ターゲットモデルの水銀流動実験を実施した。気泡サイズと分布は透明なアクリル製上蓋を通して内部の気泡をスチルカメラで撮影し、画像処理により求めた。圧力波を低減させるためには、半径数十$$mu$$mから百$$mu$$m程度の微小気泡を陽子ビーム入射部付近に分布させる必要があるが、水銀流動実験での気泡サイズ分布は気泡半径50$$mu$$mをピーク値として150$$mu$$m以下の領域に存在し、大きな微小気泡はほとんど見られなかった。これは、気泡の浮力により陽子ビーム入射部近傍に到達する気泡サイズが制限されることが原因であることを定性的に示した。また、気泡注入により大きなガス溜まりの生成が見られたが、実機相当の水銀流速では発生しないことを確認した。さらに、ガスレイヤー生成による壁面冷却性能への影響を評価した。

報告書

J-PARC/MLF全体制御システム(MLFG-CS)の設計・構築・運用

酒井 健二; 大井 元貴; 甲斐 哲也; 渡辺 聡彦; 中谷 健; 髭本 亘; 下村 浩一郎*; 木下 秀孝; 神永 雅紀

JAEA-Technology 2009-042, 44 Pages, 2009/08

JAEA-Technology-2009-042.pdf:35.33MB

J-PARC/物質・生命科学実験施設(MLF)の全体制御システム(MLF-GCS)は、大容量の水銀を循環する水銀ターゲット,3種類の超臨界水素モデレータ,放射化した水冷却システムなどを含む中性子ターゲットステーションのための進歩的で独立した制御システムである。MLF-GCSは独立した制御システムである一方で、J-PARCの加速器や他設備の制御システムとも密接に連動しながら運用される。MLFは、2008年5月に最初の陽子ビーム入射と中性子ビーム発生に、9月にはミュオンビーム発生に成功した。最初の陽子ビーム入射前にはMLF-GCSの設計と構築は終了しており、現時点は、オフ/オンビームコミッショニングを通じて、MLF-GCSの安定で効率的な運用がなされている。本報告書では、MLF-GCSの概要,構築、及び運用状況について記述する。

論文

Developmental status of a server system for the MLF general control system

大井 元貴; 甲斐 哲也; 木下 秀孝; 酒井 健二; 神永 雅紀; 二川 正敏

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.120 - 122, 2009/02

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

J-PARCの物質生命科学実験施設(MLF)には、統括制御システム(MLF-GCS)があり、MLFの各サブシステムを制御している。MLF-GCSはその役割からPLC層,サーバー層,外部ネットワーク層の三つに分けることができる。PLC層は最も内側のシステムであり、MLF-GCSの中核を担っている。サーバー層は、PLC層と外部ネットワークの情報伝達等の機能を有するとともに、外部からシステムを保護する役割を担っている。サーバーシステムの設計と構築はほぼ完了しており、現在、機能向上と最適化を行っている。本論文では、MLF-GCSサーバーシステムの概要と、開発状況について報告する。

論文

Construction status of a general control system for the Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) at J-PARC

酒井 健二; 大井 元貴; 甲斐 哲也; 木下 秀孝; 川崎 進; 渡辺 聡彦; 神永 雅紀; 二川 正敏

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.75 - 77, 2009/02

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

物質・生命科学実験施設(MLF)の装置全体を安全かつ効率的に運転する目的で、MLF全体制御システム(MLF-GCS)は、ターゲットを中心とした計測制御システム,人的安全・機器・ターゲット保護のためのインターロックシステムなど、幾つかのサブシステムより設計されている。MLF-GCS自身は独立した制御システムである一方、中央制御棟から運用されるJ-PARC全体制御システムの一部としての役割も持つ。現在は、MLF-GCSの構築はほとんど終了し、MLF制御室からのリモート操作や総合インターロックの確認調整作業によるMLF-GCSの性能試験が進められている。本論文ではMLF-GCSの概要と構築状況について報告する。

論文

Development status of the general control system of the Material and Life Science Experimental Facility (MLF) of J-PARC

酒井 健二; 木下 秀孝; 甲斐 哲也; 大井 元貴; 神永 雅紀; 加藤 崇; 古坂 道弘*

Physica B; Condensed Matter, 385-386(2), p.1324 - 1326, 2006/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:85.21(Physics, Condensed Matter)

物質生命科学実験施設(MLF)は、ミュオン・中性子ターゲット,ターゲットステーション,実験ホールなどを含むMLFの各設備のシステム全体を統括的に制御することが要求される。したがってMLFは独自の全体制御システム(MLF-GCS)を持つ必要があるが、一方で、MLF-GCSはJ-PARCの加速器や他のユーザー施設の制御システムと協調しながら稼動することが要求される。MLF-GCS構築の現状は、全体設計は既に済んで、各部の詳細設計と調整を進めている段階である。本論文では、MLF-GCSの概要と開発状況について報告する。

報告書

Remote handling design for moderator-reflector maintenance in JSNS

勅使河原 誠; 相澤 秀之; 原田 正英; 木下 秀孝; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 神永 雅紀; 加藤 崇; 池田 裕二郎

JAERI-Tech 2005-029, 24 Pages, 2005/05

JAERI-Tech-2005-029.pdf:3.38MB

J-PARCの物質・生命科学実験施設に設置する核破砕中性子源の建設が進められている。その中心部に設置されるモデレータや反射体は、放射線損傷により定期的に保守を必要とする。設置される機器の保守に必要な遠隔操作機器の設計概念並びに保守シナリオの検討の現状をまとめた。使用済みモデレータや反射体は、減容した後、施設外に運び出し保管する。この計画に従って遠隔操作機器の設計を行った。保守作業は、配管の着脱等の一部人手による作業を除いて、すべて遠隔操作によって行う。配管の着脱作業については、ベリリウム($$^{7}$$Be)の蓄積のため、将来的に配管接続部に遠隔化を図れる構造とした。6台の遠隔操作機器が必要となり、モデレータや反射体以外に陽子ビーム窓やミュオンターゲットの保守にも対応する。保守のシナリオは、使用済み機器の交換作業及び保管作業からなる。前者は、運転停止中に行う。運転停止期間を可能な限り短くするため廃棄作業と分離した。これら保守に必要な日数を見積もったところ、交換作業は約15日程度必要となり、保管作業については、乾燥作業(約30日)後に、約26日程度となった。

論文

Development of beam monitor DAQ system for 3NBT at J-PARC

大井 元貴; 甲斐 哲也; 明午 伸一郎; 木下 秀孝; 酒井 健二; 坂元 眞一; 神永 雅紀; 加藤 崇; 加藤 直彦*

Europhysics Conference Abstracts, 29J, 6 Pages, 2005/00

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の3GeV陽子ビーム輸送施設(3NBT)は、3GeVシンクロトロン施設(RCS)から物質生命科学実験施設(MLF)まで大強度の陽子ビームを輸送するための施設である。ハンズオンメンテナンスのために3NBTの設計目標は平均ビームロスで1W/m以下を目指している。そのため、電磁石の制御や陽子ビームモニターシステムは非常に重要である。J-PARCにおいては、加速器システム制御用に開発され、UNIXで稼動する制御用言語であるEPICSを制御システムに採用されており、3NBTの陽子ビームモニターにおいてもEPICSを使用する。本論文はEPICSを用いた陽子ビームモニター用DAQシステム開発の現状を紹介し、初めて25Hz周期で動作させた場合の性能を報告する。

論文

Experiments on mercury circulation system for spallation neutron target

木下 秀孝; 羽賀 勝洋; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

Journal of Nuclear Science and Technology, 41(3), p.376 - 384, 2004/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:80.29(Nuclear Science & Technology)

J-PARC計画の下で建設を進めている核破砕中性子源において、核破砕水銀ターゲットに水銀を安定供給する循環システムの設計開発は不可欠である。このため、循環ポンプの性能試験が必要であり、また、配管のエロージョン量や配管内に残る水銀量を明らかにすることは配管の寿命評価やシステムのメンテナンスシナリオを確立するうえで重要事項となる。そこで、水銀流動基礎実験装置を用いてポンプ試験,エロージョン試験及び水銀残留量評価を、実機と同形式のギアポンプを使用して行った。その結果、実験用ギアポンプの吐出量等については実機を実現するうえで十分な性能を示しており、また、回転数と流量の関係は比例的な関係を示した。エロージョンについては非常にその量も小さく、実機配管で30年間の運転に対して安全側に評価した場合に、減肉量として660$$mu$$mという値を得た。残留水銀量については50.7g/m$$^{2}$$という結果を得た。

論文

Mercury target and its peripheral devices for 1MW spallation neutron source

羽賀 勝洋; 神永 雅紀; 木下 秀孝; 粉川 広行; 佐藤 博; 石倉 修一*; 鳥井 義勝; 日野 竜太郎

Proceedings of 12th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-12) (CD-ROM), 8 Pages, 2004/00

J-PARCプロジェクトの物質・生命科学実験施設では核破砕中性子源として水銀ターゲットシステムが設置される。一旦、システムの運転が始まれば、水銀及びその周辺機器は高度に放射化されるためターゲット容器や周辺機器の保守・交換作業は全て遠隔操作で行わなければならない。このような要求に対処するため、われわれは水銀ターゲット容器及び水銀循環設備をターゲット台車と呼ぶ輸送台上に設置する構造とした。これにより、陽子ビーム照射運転中は水銀ターゲット容器と水銀循環設備一体でターゲットシステム中心に挿入し、また、ビーム停止の保守作業時には保守作業室に設備一式を引き出して、ホットセル内に設置してある各種マニピュレータ類を用い、設備機器の保守・交換作業を行うことができる。本報告では1MW核破砕中性子源設備の内、水銀ターゲット容器,水銀循環設備、及びターゲット台車を含む設備機器について現状の設計を紹介する。

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