1MW核破砕中性子源の低温水素システム用アキュムレータの改良

麻生 智一; 達本 衡輝*; 大都 起一*; 川上 善彦*; 小守 慎司*; 武藤 秀生*; 高田 弘

JAEA-Technology 2019-013, 77 Pages, 2019/09

JAEA-Technology-2019-013.pdf:5.59MB

大強度陽子加速器施設(J-PARC)物質・生命科学実験施設において1MWの陽子ビームで駆動する核破砕中性子源では、水銀ターゲットで発生した高速中性子を冷中性子に冷却するために、液体水素(1.5MPa, 20K以下)を3基のモデレータに供給し、そこで発生する核発熱(3.8kW)を強制方式で冷却する低温水素システムを備えている。この低温水素システムでは、核発熱に伴う系内の圧力変動を低減するためにベローズ構造で圧力を吸収するアキュムレータを採用していることが特徴である。しかしながら、初期に使用したベローズで不具合が生じたため、高耐圧, 長寿命のアキュムレータが必要となった。厚肉プレートによる高耐圧性を有する溶接ベローズ(内ベローズ)の要素技術開発を行い、最適条件を見出すことができた。内ベローズの試作機を製作し、2MPaの圧力印加を繰り返す耐久試験により、設計寿命(1万回以上)を満たすことを確認した。また、その製作法による内ベローズを導入したアキュムレータの組立時、溶接歪等によって内ベローズの機能性や寿命に影響しないように、水平・垂直度を0.1以内に抑えた。改良したアキュムレータは既に約25,000時間(繰り返し伸縮約16,000回(運転中40mm伸縮の設計寿命は50万回))の運転を実現できており、2019年1月現在、500kWビーム出力で運転中である。2018年7月には932kWビーム入射した運転を行い、アキュムレータの圧力変動抑制機能が設計どおりの性能を有することを確認し、今後の高出力において安定運転ができる見通しを得た。

Pressure and temperature fluctuation simulation of J-PARC cryogenic hydrogen system

達本 衡輝; 大都 起一; 麻生 智一; 川上 善彦

IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 101, p.012109_1 - 012109_8, 2015/12

https://doi.org/10.1088/1757-899X/101/1/012109

J-PARC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、陽子ビーム入射・停止時のkWオーダーのステップ状の核発熱に伴う大きな温度・圧力変動を模擬し、効率の良い制御方法を開発するための解析コードを新たに開発した。300kWおよび600kW陽子ビーム入射時の解析を行い、温度・圧力変動の解析結果は実験結果と良く一致することを確認した。本解析コードは、1MWの場合の制御方法の模擬にも十分適用できるツールとして期待できる。

Operational characteristics of the J-PARC cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source

達本 衡輝; 大都 起一; 麻生 智一; 川上 善彦; 勅使河原 誠

AIP Conference Proceedings 1573, p.66 - 73, 2014/01

https://doi.org/10.1063/1.4860684

J-PARCの物質生命科学実験施設は、陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した高速中性子をモデレータである1.5MPa、20K以下の超臨界圧の低温水素と衝突を繰り返すことにより減速した冷中性子ビームによる中性子実験を行う実験施設である。低温水素システムは、3台の水素モデレータに超臨界圧水素を供給し、そこで発生する核発熱(1MW陽子ビーム時に3.75kW)を強制冷却するための冷凍設備である。低温水素システムの性能評価を行うために、冷却過程におけるパラ水素濃度を測定し、常に平衡濃度で存在することを確認した。定格状態では、設計条件の99%以上を満たすことを確認した。さらに、過渡的な熱負荷を与えた場合の温度変動の伝播特性と熱交換器の特性を測定し、熱負荷補償するためのヒータ制御による許容温度変動量を評価した。286kWと524kWの高出力陽子ビーム入射時の温度伝播特性結果と比較し、この評価方法の妥当性を検証した。さらに、本実験結果に基づいて、1MW陽子ビーム運転時におけるヒータ制御による温度変動量は、許容値以下であることがわかり、安定な1MWの陽子ビーム運転の見通しが得られた。

Pressure control characteristics of the cryogenic hydrogen system for a 300-kW proton beam operation

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.1009 - 1014, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW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用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するための大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温水素システムを製作した。陽子ビームの入射・停止時における大きな圧力変動を抑制するために、開発したヒータによる熱補償とアキュムレータによる容積変動制御を併用した圧力制御機構を開発した。初めての300kW陽子ビーム運転時において、低温水素システムの圧力変動試験も同時に行い、300kWビーム入射・停止時における圧力変動を13.5kPa以下に抑えることに成功した。また、開発した数値解析モデルは、実験結果を15%以内で予測することができた。1MW運転における圧力変動は設計圧力変動値より低い40kPaに抑えられることが解析により明らかになり、本圧力制御システムは、1MWビーム運転時においても有効であると期待できる。

Safety interlock of the cryogenic hydrogen system at J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.601 - 606, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW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用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温水素システムを製作した。本低温水素システムでは可燃性ガスである水素を保有しているので、万が一、低温水素システムに異常事象が発生した場合でも、低温水素システムの機器保護と安全性を確保できるインターロックシステムを構築した。コミッショニングにより、ここで構築したインターロックシステムの健全性を確認することができた。

Pressure fluctuation behavior in the cryogenic hydrogen system caused by a 100 kW proton beam injection

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 長谷川 勝一; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.289 - 296, 2010/04

https://doi.org/10.1063/1.3422366

J-PARCの核破砕中性子源ではMW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圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。陽子ビームの入射・停止時において大きな圧力変動が与えられるため、ヒータによる熱補償と容積制御のアキュムレータを併用した圧力制御システムを開発した。昨年の12月に109kWの陽子ビーム25Hzで入射したときの低温水素システムの圧力変動試験を実施し、ビーム入射・停止時における圧力変動を5kPaに抑制することに成功した。本試験において、開発した圧力制御システムの有用性を確認することができた。

Estimation of pressure change based on hybrid control system in JSNS hydrogen loop

長谷川 勝一; 麻生 智一; 達本 衡輝; 大都 起一; 上原 聡明; 川上 善彦*; 櫻山 久志; 加藤 崇

no journal, , 

JSNS(日本核破砕中性子源)ではモデレータとして超臨界圧水素を採用し、そのための水素循環システムを構築している。このシステムでは水素の圧力を、下は臨界圧の1.3MPs、上は設計値の2.0MPaに保持する必要がある。モデレータ部の熱負荷は陽子ビームの核発熱によって変動する。とくにビームのオン,オフ時には最大となりビーム出力が1MWのときに、核発熱は最大値3750Wとなる。それゆえ水素システムには圧力制御装置が必要である。このために、アキュムレータとヒータから構成されるハイブリッド圧力制御システムを採用した。ヒータは核発熱の変動による熱負荷を補償するものであり、アキュムレータは可変容積を持つことによって圧力変動を緩和するものである。ハイブリッド圧力制御システムの設計のためには核発熱変動時における、系の圧力変動の評価をする必要がある。本研究では、そのために解析コードを整備し、さまざまな場合における解析を行った。この解析をもとに、アキュムレータの容積を決定し、ハイブリッド圧力制御によって圧力変動を0.15MPaに押さえることができるのを確認した。

J-PARC低温水素システムの冷却試験

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 加藤 崇; 長谷川 勝一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦

no journal, , 

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圧水素(1.5MPa, 20K)によって冷中性子に減速させるための低温水素システムを製作した。昨年の12月から4月までの試運転により、各機器の性能を確認し、かつ、低温水素システムの安定な運転方法を確立した。本年5月30日午後2時25分、陽子ビームが中性子源の水銀ターゲットに入射され、J-PARCで初めての核破砕パルス中性子の発生に成功した。本講演では、低温水素システムの初期冷却試験とその試験結果について報告する。

東日本大震災によるJ-PARC低温設備の被害状況,1; 中性子源用低温水素システム

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 長谷川 勝一; 櫻山 久志; 川上 善彦; 上原 聡明; 加藤 崇

no journal, , 

J-PARCの物質生命科学実験施設は、陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した高速中性子をモデレータである1.5MPa, 20K以下の超臨界圧の低温水素と衝突を繰り返すことにより減速した冷中性子ビームによる中性子実験を行う実験施設である。低温水素システムは、3台の水素モデレータに超臨界圧水素を供給し、そこで発生する核発熱(1MW陽子ビーム時に3.75kW)を強制冷却するための冷凍設備である。2011年3月6日に、初期冷却運転を開始し、3月8日以降、共用運転(210kWの陽子ビーム運転)のための冷却運転を行っていた。3月11日14時46分にマグニチュード9.0の巨大地震が発生し、それに伴い、停電、計装空気が喪失した。低温水素システムの地震による被害状況は、地盤沈下により屋外タンクが傾き、建屋貫通部配管で大きな変形が発生したが、屋内機器及び配管に関しては有害な損傷がないことが確認できた。このような巨大地震時においても、水素の外部漏えいはなく、低温水素システムは、インターロックにより安全に自動停止することができ、構築したインターロックシステムの有用性が明らかになった。

MLF低温水素システム用3号機アキュムレータの開発

麻生 智一; 達本 衡輝; 大都 起一; 川上 善彦; 小守 慎司; 武藤 秀生; 高田 弘

no journal, , 

低温水素システムは、水銀ターゲットで発生した高速中性子を冷中性子に冷却するために、超臨界圧(1.5MPa)の極低温水素(20K以下)を3基のモデレータに供給し、そこで発生する核発熱(3.8kW)を強制方式で冷却する冷凍システムである。陽子ビーム入射・停止時に水素ループに与えられる熱負荷変動で発生する圧力変動を自発的容積可変機能で吸収する圧力変動抑制機構としてアキュムレータを採用し、ヒータによる熱補償制御と併用している。2MPaの耐圧性能を持ち、繰り返し設計寿命一万回(2MPa時)のアキュムレータの製作を目的として、0.8mmの厚肉プレートによる溶接ベローズの要素技術開発を行い、溶接トーチの位置など最適条件を見出すことができた。3号機アキュムレータの製作・組立時の溶接歪、傾斜等は、溶接ベローズのスペーサとガイドの接触で伸縮機能性や寿命に影響を及ぼす。このため、スペーサとガイドの距離から傾斜0.1以内を目標として製作を行い、組立時の水平・垂直度を目標値に抑えることができた。既存の2号機と交換し、低温試運転を行った結果、設計どおりの性能を有することを確認した。