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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。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生; 青柳 克弘; 野村 一隆; 高田 弘
Journal of Physics; Conference Series, 1021(1), p.012085_1 - 012085_4, 2018/06
被引用回数：0 パーセンタイル：0.11(Nuclear Science & Technology)At J-PARC's pulsed spallation neutron source, a cryogenic hydrogen system has been operated to provide liquid para-hydrogen (20K and 1.5 MPa) to the moderators since 2008. Typical operating period of the cryogenic hydrogen system was approximately 3 months continuously. However, the pressure differences between No.1, No.2 heat exchangers (HXs) and an adsorber (ADS) in the helium refrigerator had begun to increase rapidly since the beginning of 2015, the refrigerator could not be operated continuously. The impurity in the refrigerator was measured by newly introduced quadrat mass spectrometer, but no significant impurities was observed. We suspected the oil contamination from the helium compressor, as it caused performance degradation of the cryogenic system in other facilities, such as RIKEN, CERN, etc. In the summer outage in 2016, we cleaned the HXs with Freon to remove the oil contamination, and replaced the activate charcoals of ADS and oil separator (OS-5). As a result, the performance of the helium refrigerator was recovered completely.
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 青柳 克弘*; 武藤 秀生*; 野村 一隆*; 高田 弘; 池田 裕二郎
JAEA-Technology 2017-021, 75 Pages, 2017/08
JAEA-Technology-2017-021.pdf:33.03MB
大強度陽子加速器施設(J-PARC)物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源では、冷中性子用減速材として液体水素を用いている。2015年1月頃から液体水素を生成するヘリウム冷凍機において、熱交換器及び80 K活性炭吸着器(ADS)の差圧が上昇する事象が現れ始め、2015年11月には冷却性能の低下を引き起こすまでに進展した。この不具合の原因を究明するために冷凍機内の目視確認や循環ヘリウム中の不純物分析を行った。原因となる不純物は検出できなかったが、配管内にわずかに油の痕跡があった。他施設の同規模の冷凍能力を持つ冷凍機の不具合事例も参考にして、熱交換器の洗浄やADSの交換を行った結果、冷却性能は回復した。熱交換器を洗浄した液やADSの活性炭とそれを抑えるためのフェルトから油を検出した。特にADSのフェルトではヘリウムガス入口表面に膜状の油の蓄積が確認できた。ヘリウムガス中に含まれる油分は設計範囲の10ppb程度であったが、長期間の運転の結果、ADSのフェルト部への蓄積により差圧を発生させ、それが性能劣化をもたらした可能性があると推測している。今後さらに調査を進め、原因をより明確にする必要がある。
達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 川上 善彦; 青柳 克弘; 武藤 秀生
IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 101, p.012107_1 - 012107_8, 2015/12
被引用回数：0 パーセンタイル：0.05(Thermodynamics)J- PARC核破砕中性子源用の低温水素システムは2008年4月に完成し、同年の5月末に初めて冷中性子の発生に成功した。低温水素システムは3ヶ月の安定な長期連続運転を実施できるようになり、最近では500kWの共用運転を行っている。本装置は、「極低温」でかつ「高圧」の可燃性水素を取り扱う国内で初めての大型冷凍設備であるため、2007年のオフビームコミッショニングから現在に至るまで数々の予期せぬトラブルがあった。例えば、気体軸受水素ポンプの過渡軸振動現象、軸受部の過渡冷却現象および水素トライポロジーによる起動不良、アキュムレータ用ベローズの破損、ヘリウム冷凍機の不純物による不安定事象である。さらに、2011年には冷却運転中に東日本大震災が発生し、停電および計装空気が喪失したが、構築したインターロックシステムにより正常に自動停止することができた。これまでの運転や不具合事象により多くの知見が得て、改良を重ねた結果、現在では長期間の安定な冷却運転を実施できるようになった。
大島 克己*; 本田 敦; 岡野 文範; 薄井 勝富; 能登 勝也*; 武藤 秀生*; 河合 視己人; 大賀 徳道; 池田 佳隆
平成16年度大阪大学総合技術研究会報告集(CD-ROM), 4 Pages, 2005/03
JT-60Uの長時間放電実験運転に対応して、正イオン及び負イオン各NBI装置の入射パルス幅の伸長(目標30秒)を図った。これに伴い、30秒運転時の電源構成機器の定格に対する裕度の検討を行った結果、熱的余裕の少ない機器については、実通電電力量(I2t及びV2t)を監視して保護する電源保護検出器を新規に製作した。
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。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生; 青柳 克弘; 野村 一隆; 高田 弘
no journal, ,
物質・生命科学実験施設(MLF)の核破砕中性子源では、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)の低温水素(18K)を3基のモデレータに供給し、発生する核発熱(約3.8kW)を強制方式で冷却する。水素系の冷却はヘリウム冷凍機で行う。これまで、中性子利用実験のために約2-3ヶ月の連続運転を行ってきたが、2015年から冷凍機内の熱交換器と内部吸着器(ADS)で運転中に圧力損失が増加し、冷凍機の冷却性能が低下して長期間の安定運転に支障を来す状態となった。冷凍機昇温後の運転再開時には圧力損失は解消されることから、水分や窒素などの不純物が原因と考え、熱交換器とADSの再生などの対策を施したが、状況は改善されなかった。一方、熱交換器入口配管で紫外光による油の反応があったため、油の蓄積が原因となり得ると判断し、2016年夏季保守期間に、熱交換器をフロン洗浄してADSを新品に交換した。11月から再開した運転では、圧力損失の増加は生じていない。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生; 青柳 克弘; 野村 一隆; 高田 弘
no journal, ,
物質・生命科学実験施設(MLF)の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水素モデレータを、水素循環系を通してヘリウム冷凍機で冷却している。本冷凍機は、中性子利用実験のためにこれまで約2-3ヶ月の連続運転を行ってきたが、2015年から冷凍機内の熱交換器と内部吸着器(ADS)で運転中に圧力損失が増加し、冷却性能が低下したため、長期間の安定運転に支障を来す状態となった。運転再開時には圧力損失は解消されることから、水分や窒素等の不純物が原因と考え、活性炭吸着器の活性炭の交換や熱交換器及びADSの再生などの対策を施したが、状況は改善されなかった。一方、コールドボックス入口フィルタなどで紫外光による油の反応があったため、圧縮機からの油の蓄積が原因となり得ると判断した。2016年夏季保守期間に、熱交換器をフロン洗浄し、ADSを新品に交換した。この結果、11月からの運転では、約7週間冷凍機を稼働しても圧力損失は増加せず、冷却性能が回復したことを確認できた。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘; 池田 裕二郎
no journal, ,
J-PARCの大強度中性子源では、ターゲットで発生した速中性子を液体水素減速材で冷中性子に冷却するために、液体水素循環系(1.5MPa、18K)とヘリウム冷凍機(6kW at 17K、1.6MPa、270g/s)から成る2元冷凍システムを運転している。2008年の運転開始以来、冷中性子を利用者に供給するために約2-3ヶ月の連続運転を年間3回行ってきたが、2015年からヘリウム冷凍機内の熱交換器と内部吸着器(ADS)で運転中に圧力損失が増加し、冷凍機の冷却性能が低下して長期間の安定運転に支障を来す状態となった。本件は、この性能劣化についての経緯と、利用施設としての運転を継続しつつ実施した性能回復に向けた検討及び対応について報告する。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘; 池田 裕二郎
no journal, ,
J-PARCの大強度中性子源の液体窒素循環システム用ヘリウム冷凍機で性能劣化が生じた原因調査において、新たな知見として、内部吸着器の活性炭の飛散を防止するために設置したフェルトの表面に膜状に蓄積した油が観測され、それが内部吸着器での差圧の発生の要因になることを実験的に見出した。熱交換器の洗浄及び内部吸着器の交換を行った後の運転では、総計約7ヶ月もの運転において、性能劣化に関わる圧力損失の増加は無く、安定に運転を継続可能とした。これらの機器が性能劣化の要因であることは判明したが、機器の配置関係から内部吸着器で発生した差圧が熱交換器の性能劣化を引き起こすとは考えにくく、根本的な原因究明には至っていない。更に詳細に原因を探るため、差圧分布を詳細化する差圧計の増設等を施すなど、今後の根本対策に向けた検討を進める。本件では、性能劣化に関わる原因究明の結果のまとめと今後の対策について報告する。
勅使河原 誠; 麻生 智一; 長谷川 勝一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘; 池田 裕二郎
no journal, ,
J-PARCの大強度中性子源の液体水素循環システム用ヘリウム冷凍機で、2015年より冷却性能が低下した。原因を解明するため、四重極質量分析計や有機溶媒抽出を用いて循環系内の不純物や油の蓄積量を実測した。熱交換器と内部吸着器から回収した油の蓄積量は総量で約143gであった。油の蓄積量は、ヘリウムの循環において、その中に含まれる不純物(10ppb)の運転時間の総積算量から概算される値と同等であり、設計の許容範囲であった。しかしながら、唯一、内部吸着器において封入した活性炭が飛散しないよう配置したフェルト材のヘリウム入口側表層にこれまでに経験したことのない膜状の油の蓄積が見られた。本報告では、ヘリウム冷凍機内の不純物分析や油蓄積量について評価した結果とフェルト材への膜状の油の蓄積について報告する。
勅使河原 誠; 麻生 智一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘; 池田 裕二郎
no journal, ,
J-PARCの大強度中性子源の液体水素循環システム用ヘリウム冷凍機で、2015年より冷却性能が低下した。原因究明の過程で、内部吸着器(ADS)内の活性炭を飛散しないよう配置したフェルト材の入口側表層に膜状の油の蓄積を確認した。本件では、フェルト材の油の蓄積が性能低下の要因と成り得るのか実験的に調べた。冷却性能の低下の要因となる差圧の発生を確認するため、油を蓄積させたフェルトに低温窒素ガスを流す試験を行った。その結果として、低温窒素ガスを流すことによって油が固化し、それが差圧を引き起こすことを確認した。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘
no journal, ,
Since January 2015, a pressure drop gradually increased between heat exchangers and an adsorber (ADS) in the helium refrigerator of the cryogenic hydrogen system every operation. To investigate the cause of the performance degradation, impurities accumulated in helium gas was measured. However, no significant amount of impurities was observed. By cleaning inside of the heat exchangers and replacing ADS with new one, the refrigerator performance could be restored. As a result of dismantling the replaced ADS, we found that oil was locally accumulated in membranous form onto the felt at the helium entrance side. This might cause the pressure drop because the frozen oil during cooling down obstructed helium flow. There are still some doubtful relation between the pressure drop and the performance degradation at the heat exchanger. We are still making effort to investigate the cause.
麻生 智一; 勅使河原 誠; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘
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J-PARCの大強度中性子源では、ターゲットで発生した速中性子を液体水素減速材で冷中性子に冷却するために、液体水素循環系(1.5MPa、18K)とヘリウム冷凍機(6kW at 17K、1.6MPa、270g/s)から成る2元冷凍システムを2008年から運転している。2015年から運転中に生じたヘリウム冷凍機内の熱交換器と内部吸着器(ADS)の圧力損失上昇は、ヘリウムガス中の油分の局所的な蓄積が原因とし、2016年夏季に熱交換器のフロン洗浄とADSの交換によって冷凍機の性能が回復した。それ以降、圧力損失が増えることなく、2018年には7月までの175日間の連続運転を行うことができた。油分が蓄積する現象の詳細は未だ不明のため、圧力損失のモニタを増やすとともに、局所的な油蓄積を防ぐために活性炭を抑えるフェルト材を変更したADSの製作を進めている。また、7月に到達目標である1MWのビーム出力で1時間の連続運転を初めて行い、水素循環系統の圧力調整機構の性能、液体水素減速材の出入口温度差が3K以内という設計要件を確認した。この結果、大強度中性子源として利用者に中性子強度を維持した冷中性子を供給できることが確認できた。
