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報告書

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$$^{circ}$$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。

論文

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

 被引用回数:6 パーセンタイル:94.98

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。

論文

Commissioning results on the cryogenic hydrogen system for moderators in JSNS

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

Proceedings of 19th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-19) (CD-ROM), 8 Pages, 2010/07

J-PARCにおける1MW級JSNS中性子源の低温水素システムは、水銀ターゲットで発生した核破砕中性子を冷中性子に減速するためのモデレータに18K, 1.5MPaの超臨界水素を使用する。2008年4月のオフビームコミッショニングを通して、超臨界水素循環用低温水素システムの要求仕様を確認し、最大約190g/sの循環に成功した。2008年5月には、初めて中性子発生に成功し、モデレータにより減速した中性子を問題なく供給することを確認した。その後、オンビームコミッショニングにおいても本低温水素システムの特性を確認した。

論文

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。

論文

Performance test of a centrifugal supercritical hydrogen pump

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; 吉永 誠一郎*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.377 - 382, 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時における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、モデレータ性能を満たすためには、このモデレータ内の温度差を3K以内する必要があった。本研究では、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる超臨界水素ポンプをITERで開発した超臨界ヘリウムポンプの設計データベースを用いて新たに開発し、その性能特性試験を測定した。断熱効率は54%、循環流量は、世界最大流量200g/sを達成し、開発した超臨界水素ポンプは、設計値を十分満足する性能を有することを確認した。

論文

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。

論文

Development of the cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source in 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

AIP Conference Proceedings 1218, p.297 - 304, 2010/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:77.16

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。6か月に渡るオフビームコミッショニング期間で、低温水素システムの特性試験を実施し、設計どおりの性能を満たすことを確認することができた。

論文

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

 被引用回数:2 パーセンタイル:77.16

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。

論文

Commissioning of the cryogenic hydrogen system in J-PARC; Preliminary operation by helium gas

麻生 智一; 達本 衡輝; 長谷川 勝一; 大都 起一; 上原 聡明; 川上 善彦; 櫻山 久志; 前川 藤夫; 二川 正敏; 牛島 勇*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.741 - 746, 2009/00

J-PARC物質・生命科学実験施設に設置された中性子源用モデレータ冷却システムは、核破砕反応で発生した高エネルギー中性子を超臨界水素中に通過させることにより、そのエネルギーを低減し、冷中性子ビームとして施設利用者の実験装置へ供給するための冷凍システムである。本システムが完成し、モデレータを接続した状態の低温試験を、水素に先立ちヘリウムガスによって初めて行った。モデレータを含めて、1.5MPa, 20Kの定格状態まで冷却でき、定常維持,昇温運転が問題なくできることを確認した。

論文

Observation of direct electron heating by the fast waves in the low-hybrid range of frequencies in the JFT-2M tokamak

山本 巧; 上杉 喜彦; 川島 寿人; 星野 克道; 相川 裕史; 河西 敏; 河上 知秀; 近藤 貴; 前田 彦祐; 松田 俊明; et al.

Physical Review Letters, 63(11), p.1148 - 1151, 1989/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:75.33(Physics, Multidisciplinary)

電子サイクロトロン加熱されたプラズマ中に、位相制御型4ループ列アンテナによって、速波を励起した時、速波と電子の有効な結合を観測した。この結合は、電子サイクロトロン放射を増加し、ループ電圧を降下させた。これらの結果は、ループアンテナ間の位相差及び電子密度に依存した。V$$_{ph}$$/V$$_{eo}$$~3、及びf$$_{o}$$/f$$_{LH}$$(0)~0.38の条件下で20%の速波の吸収効率が得られた。これらの実験結果は、電子のランダウ減衰による理論的予測とよく一致した。

論文

H mode observed in the JFT-2M tokamak with edge heating by electron cyclotron waves

星野 克道; 山本 巧; 川島 寿人; 鈴木 紀男; 上杉 喜彦; 森 雅博; 相川 裕史; 河西 敏; 河上 知秀; 松田 俊明; et al.

Physical Review Letters, 63(7), p.770 - 773, 1989/08

 被引用回数:24 パーセンタイル:80.58(Physics, Multidisciplinary)

電子サイクロトロン波の周辺加熱のみによりJFT-2MトカマクでHモードが生成した。追加熱パワーのしきい値は120kWと低く、これはJFT-2Mで観測された最小のパワーである。これらの実験事実は、プラズマ中心部の追加加熱パワー無しにHモードが生成されることをはっきりと示し、また、Hモードの機構は、プラズマ周辺部の電子温度上昇に密接に関連していることを示している。

報告書

Observation of H-mode by edge heating solely by electron cyclotron heating in a divertor configuration of JFT-2M tokamak

星野 克道; 山本 巧; 川島 寿人; 鈴木 紀男; 上杉 喜彦; 相川 裕史; 河西 敏; 河上 知秀; 松田 俊明; 三浦 幸俊; et al.

JAERI-M 89-038, 7 Pages, 1989/03

JAERI-M-89-038.pdf:0.29MB

電子サイクロトロン加熱(ECH)のみによるJFT-2Mプラズマの周辺加熱でHモード生成を観測した。Hモード遷移のパワーのしきい値は120kWと低く、これはJFT-2Mトカマクで観測された最低のしきい値である。このようなプラズマの周辺加熱のみで、中心部の追加熱パワー無しにこのような低いパワーでHモード遷移が起きることは驚嘆に値する。これらの事実は、Hモードの機構はプラズマのごく周辺部(セパラトリクス近傍)に関係していることを明白に示すものである。

論文

H-mode by edge ECH in JFT-2M

星野 克道; 山本 巧; 川島 寿人; 玉井 広史; 小川 俊英; 小田島 和男; 鈴木 紀男; 上杉 喜彦; 森 雅博; 相川 裕史; et al.

Radio-Frequency Power in Plasmas, 4 Pages, 1989/00

電子サイクロトロン加熱のみによる周辺加熱でHモードへの遷移を見出した。入射波は周波数60GHzで、異常波の偏波を持つ。Hモード遷移動のしきい値は160kWで、これはJFT-2Mのしきい値としても最小値である。二倍高調波の電子サイクロトロン共鳴層は、プラズマ半径の90%という周辺にあり、配位は、下シングルヌルダイバータ配位である。この結果は、Hモード遷移には、プラズマ中心部の追加熱パワーは不必要であることを示すものである。

論文

A New mode of improved confinement in discharges with stationary density in JEF-2M

森 雅博; 鈴木 紀男; 上杉 喜彦; 小川 俊英; 小川 宏明; 大塚 英男; 小田島 和男; 河西 敏; 河上 知秀; 川島 寿人; et al.

Nuclear Fusion, 28(10), p.1892 - 1897, 1988/10

 被引用回数:22 パーセンタイル:73.49(Physics, Fluids & Plasmas)

核融合炉実験にあたって、最も大きな障壁となっているのが、エネルギー閉じ込め時間が小さいことである。最近、いくつかのトカマク装置において閉じ込め時間が改善されるHモードという現象がみつかった。このモードの欠点は、密度が制御できずに上昇しつづけ、これにともなう幅射損失により、Hモード自体の破壊にいたることである。JFT-2Mでは、密度、幅射損失が時間的に一定で、ほぼ定常状態にある新しい閉じ込め改善モードがみつかったので、報告する。このモードは密度分布等が中心でピークしており、Hモードと異なる。

論文

Particle accumulation at the edge observed in n$$_{e}$$ and T$$_{e}$$ profiles of H-mode JFT-2M plasma

山内 俊彦; 小田島 和男; 上杉 喜彦; 相川 裕史; D.Dimock*; 川島 寿人; 河西 敏; 河上 知秀; 前田 彦祐; 松田 俊明; et al.

Physics Letters A, 131(4-5), p.301 - 309, 1988/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:34.86(Physics, Multidisciplinary)

JFT-2MプラズマのHモード遷移が電子温度約0.3KeVのペデェスタルと驚くべき電子密度の急勾配(セパトリックスの内側)の生成という形で生じている。ピークした分布から平坦になった電子密度分布がHモード及びオーミック加熱プラズマに対して内部破壊後に得られている。ホロー分布の密度が低磁場(低q)放電において観測された。これらの現象は分布の(平坦な領域)端における電子エネルギーの輸送の減少した結果(閉じ込めの改善)を示す。

論文

Steep gradient and pedestal of electron profiles in H-mode JFT-2M plasma

山内 俊彦; 星野 克道; 上杉 喜彦; 相川 裕史; 川島 寿人; 河西 敏; 河上 知秀; 前田 彦祐; 的場 徹; 松田 俊明; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 27(5), p.L924 - L926, 1988/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:9.88(Physics, Applied)

セパラトリックスの内側で電子密度分布に急勾配が、周辺温度にペディスタルが本トカマクHモード相に観測された。ペディスタル上の平坦な領域はHモード遷移の初期に電子密度が最も増加する領域に相当し、その結果ホロー形分布が形成されている。これは輸送障壁によるためであり、それで内部破壊による輸送刺激効果は弱まっている。

報告書

Requirements in the edge for H-mode transitions

松本 宏; 船橋 昭昌; 星野 克道; 川島 寿人; 河上 知秀; 前田 彦祐; 的場 徹; 松田 俊明; 三浦 幸俊; 森 雅博; et al.

JAERI-M 88-033, 15 Pages, 1988/02

JAERI-M-88-033.pdf:0.59MB

JFT-2M装置におけるHモード遷移のための周辺プラズマ条件が調べられた。遷移時の周辺電子温度、電子密度の測定により、一定の加熱条件の下では、電子温度と密度の両方が条件となっており、密度の高い所では、低い温度で遷移することが明らかになった。

論文

Enhancement of wall fueling and improvement in n$$tau$$ of a beam-heated H-mode discharge by electron cyclotron wave in the JFT-2M Tokamak

仙石 盛夫; 船橋 昭昌; 長谷川 満*; 星野 克道; 河西 敏; 河上 知秀; 川島 寿人; 的場 徹; 松田 俊明; 松本 宏; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 57(3), p.903 - 908, 1988/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:48.11(Physics, Multidisciplinary)

電子サイクロトロン波(ECW)の共鳴点を、NBI加熱によるHモード放電のプラズマ周辺部に選んで印加することにより、密度、閉込め時間共に改善された。

論文

Transition from the L-mode to the H-mode by electron cyclotron heating of a tokamak edge plasma

星野 克道; 山本 巧; 鈴木 紀男; 川島 寿人; 河西 敏; 河上 知秀; 前田 彦祐; 的場 徹; 松田 俊明; 松本 宏; et al.

Nuclear Fusion, 28(2), p.301 - 306, 1988/00

 被引用回数:22 パーセンタイル:73.49(Physics, Fluids & Plasmas)

予備的に加熱されたLモードプラズマの電子サイクトロン加熱(ECH)による追加熱によりH遷移が観測された。

報告書

JFT-2Mでのダイバータ板の設計とダイバータプラズマの測定

柳沢 一郎*; 荘司 昭朗; 森 雅博; 小田島 和男; 大塚 英男; 鈴木 紀男; 長谷川 満*; 太田 完治*; 杉原 正芳; 上杉 喜彦; et al.

JAERI-M 87-192, 21 Pages, 1987/10

JAERI-M-87-192.pdf:0.73MB

JFT-2M小型ダイバータのダイバータ板の設計、ダイバータプラズマのシュミレーションおよび実験を行い以下の結果を得た。1)ダイバータ板材としてのカーボンの選択と設計の妥当性を確認した。2)NBI加熱時にHモードが実現でき、比較的低温・高密度のダイバータプラズマが得られた。3)シュミレーションによるとこのときの値は低リサイクリングから高リサイクリングに移行する中間領域に対応する。

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