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直江 崇; 木下 秀孝; 涌井 隆; 粉川 広行; 羽賀 勝洋
JAEA-Technology 2022-018, 43 Pages, 2022/08
JAEA-Technology-2022-018.pdf:7.84MB
大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギー陽子線入射時に水銀中に発生する圧力波が引き起こすキャビテーションによって、ステンレス鋼製のターゲット容器内壁に激しい壊食損傷が生じる。陽子線強度の増加と共に攻撃性が高くなるキャビテーションが引き起こす壊食損傷によって、熱応力を低減するために厚さ3mmで設計されたターゲット容器先端部では、長時間の運転により壊食痕からの水銀漏洩や、壊食痕を起点とした疲労破壊などが生じる懸念がある。これまでに、高出力での長期的な安定運転を実現するために、キャビテーションによる壊食損傷を低減するための取り組みとして、容器内壁への表面改質の適用や、水銀中への微小気泡注入によりキャビテーションの発生源である圧力波の抑制、先端部の2重壁構造化を進めてきた。損傷低減化技術の効果を確認するために容器内壁に形成された損傷を観察する必要があるが、中性子源の運転中に内部を観察することは不可能であるため、運転を終えたターゲット容器の先端部から試験片を切出し、内壁の観察を実施している。ターゲット容器の破損による水銀の漏洩を防ぎつつ、運転出力によって変化する適切な容器の交換時期を検討するためには、運転出力と損傷の関係を明らかにすることが必要である。これまでに、高放射線環境で遠隔操作可能な試験片切出し装置を開発し、実機水銀ターゲット容器からの切出しを通じて、遠隔操作性や、より確実に試験片を切出すための切削条件の検討や切出し手法の改良を重ねてきた。本報では、実機ターゲットでの作業経験、及びモックアップ試験の結果に基づいて改良した遠隔操作による水銀ターゲット容器先端部からの試験片切出し手法に加えて、これまでに実機から試験片を切出した結果の概要についてまとめる。
斎藤 滋; Wan, T.*; 大久保 成彰; 大林 寛生; 渡辺 奈央; 大平 直也*; 木下 秀孝; 八巻 賢一*; 北 智士*; 吉元 秀光*; et al.
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011041_1 - 011041_6, 2021/03
原子力機構(JAEA)では、鉛ビスマス共晶合金(LBE)を核破砕中性子発生のターゲット並びに炉心冷却材として使用する、核変換用の加速器駆動システム(ADS)の研究をしている。中性子は、1.5GeVの陽子ビーム入射による核破砕反応によって生成される。ADS開発に重要な材料照射データを取得するため、J-PARCにLBE中性子生成ターゲットを備えた照射施設の建設を提案している。LBEターゲット実用化のためには多くの技術的な課題があり、JAEAでは様々な研究開発を行っている。腐食研究に関しては、OLLOCHIの調整運転と機能試験が開始された。LBE使用する上で重要な技術である酸素濃度制御技術の開発も行っている。大型LBEループ実験では、IMMORTALを使用して、定常および過渡状態の試験を行った。機器の分野では、LBEループシステムの重要な技術として、超音波流量計とフリーズシールバルブの開発を進めている。照射施設の設計に重要なLBE中の不純物挙動の研究も開始した。本論文では、JAEAにおけるLBE関連研究の現状と研究計画について報告する。
直江 崇; 木下 秀孝; 粉川 広行; 涌井 隆; 若井 栄一; 羽賀 勝洋; 高田 弘
Materials Science Forum, 1024, p.111 - 120, 2021/03
J-PARCの核破砕中性子源に設置されている水銀標的容器は、水銀中に生じる陽子線励起圧力波が引き起こすキャビテーションによって損傷を受ける。キャビテーションによる壊食損傷を低減する方策として、キャビテーションを誘発する圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入に加えて、ビーム窓先端に狭隘流路を有する2重壁構造容器を採用した。損傷低減化策の効果を確認するために、使用後の標的容器先端部を切断し、内部に形成された損傷を観察した。その結果、積算出力1812MWh(平均強度434kW)で微小気泡を注入して運転した2重壁構造容器で観測された損傷は、積算出力1048MWh(平均強度181kW)の気泡を注入しない従来型容器で観測された損傷と同等であった。さらに、狭隘流路に接する側では、気泡が注入された水銀に接する側より著しく損傷が少ないことを確認した。
直江 崇; 木下 秀孝; 粉川 広行; 涌井 隆; 若井 栄一; 羽賀 勝洋; 高田 弘
JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.081004_1 - 081004_6, 2020/02
J-PARC核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、陽子線入射によって生じる水銀中の圧力波が引き起こすキャビテーションにより、ビームが入射する先端部厚さ3mmの壁が損傷する。キャビテーションによる損傷は、ビーム出力と共に増加するため、ターゲット容器の寿命を制限する因子となっている。J-PARCの目標である1MWにおける長期安定運転を実現するために、損傷低減化策として、圧力波抑制のための気泡注入に加えて、先端部に主流の4倍の流速を発生できる幅2mmの狭隘流路を有する先端部二重壁構造の容器を採用した。運転終了後に損傷低減化策の効果を確認するために、容器内壁を切り出して観察した。これまでの経験を踏まえ、確実に切出しを実施するためにコールド試験を通じて切出し条件を最適化して、2017年にターゲット2号機(損傷低減化策無し)、及び2018年に8号機(損傷低減化策有り)の切り出しを実施した。ワークショップでは、切出した試料の損傷観察結果を紹介すると共に、損傷低減化策の効果について報告する。
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
被引用回数：6 パーセンタイル：59.55(Materials Science, Multidisciplinary)J-PARC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
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
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。
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
被引用回数：0 パーセンタイル：0.11At 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.
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
被引用回数：11 パーセンタイル：75.73(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。
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.
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：14 パーセンタイル：78.53(Nuclear Science & Technology)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65mの気泡を生成できることを確認した。
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：10 パーセンタイル：64.38(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250mの損傷が形成されていることが明らかとなった。
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：5 パーセンタイル：40.85(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
/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。
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。
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。
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。
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。
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
被引用回数：4 パーセンタイル：31.47(Nuclear Science & Technology)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mから百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50mをピーク値として150m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。
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。
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
被引用回数：1 パーセンタイル：12.65(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。
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
被引用回数：1 パーセンタイル：12.65(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。
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：3 パーセンタイル：18.36(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。
