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報告書

核破砕標的循環試験装置(IMMORTAL)の開発

大林 寛生; 八巻 賢一*; 吉元 秀光*; 北 智士*; Wan, T.*; 佐々 敏信

JAEA-Technology 2021-035, 66 Pages, 2022/03

JAEA-Technology-2021-035.pdf:4.26MB

大強度陽子加速器施設(Japan Proton Accelerator Research Complex; J-PARC)では、加速器駆動システム(Accelerator-Driven system; ADS)による核変換技術の実現に資する研究開発を行うため、核変換実験施設(Transmutation Experimental Facility; TEF)の建設を計画している。2つの施設で構成されるTEFの内、ADSターゲット試験施設(TEF-T)では、溶融鉛ビスマス合金(Lead-Bismuth Eutectic alloy; LBE)を核破砕ターゲットおよび冷却材として用いるターゲットシステムを導入して陽子ビームを照射することにより、照射環境下でのLBEとADS構造材料候補材との共存性等のADS特有の課題に関する研究開発を行う。冷却材としての側面から見たLBEは、他の液体金属冷却材と同様に伝熱特性に優れ、ナトリウムに比べ化学的活性が低く水や空気と接触した際に火災などの事故に繋がる危険性がない。一方、一般に広く用いられるステンレス鋼等の構造材料に対し腐食性を示す他に、TEF-Tターゲットでは最大500$$^{circ}$$Cに達する温度域で使用される等の理由から適応する計装や機器が限られる。このため、LBE用の機器について個別に研究開発や設計を進めてきた。LBEターゲットシステムの実現においては、これらの機器を統合して単体の大型装置として運用した際の機能や性能評価が重要である。本報告書では、LBEターゲットの一次冷却系および二次冷却系の実証試験の他、LBE用機器や計装の性能評価、遠隔によるメンテナンスを考慮した際の機器配置に関する課題抽出、さらに将来的にTEF-T施設で行う照射後試験に向けた非照射サンプルの供給を目的とした実規模試験ループである核破砕標的循環試験装置(Integrated Multi-functional MOckup for TEF-T Real-scale TArget Loop; IMMORTAL)の概要について報告する。

論文

Status of LBE study and experimental plan at JAEA

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。

論文

Remote handling technology for lead-bismuth spallation target system

大林 寛生; 吉元 秀光*; 北 智士*; 八巻 賢一*; Wan, T.*; 斎藤 滋; 佐々 敏信

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011048_1 - 011048_6, 2021/03

J-PARC is performing R&Ds aimed at realizing an experimental facility applying a spallation target system in order to contribute to development of a lead-bismuth eutectic (LBE) cooled accelerator-driven system. The target system utilizes LBE as a spallation target material and as a primary coolant. The main purpose of the facility is to understand the compatibility of candidate structural materials under flowing high temperature LBE with proton / neutron irradiation, and reflect it in ADS design. 400 MeV - 250 kW pulsed proton beam strikes a target vessel containing irradiation samples during operation. Among the components installed to the target system, in particular the target vessel is exposed not only the corrosive LBE flow, but also highly irradiation by the target operation. It is essential to establish remote exchanging technology of the target vessel that can avoid exposing workers to high radiation environment. This paper describes recent status of a planning remote exchanging procedure of the target vessel and presents the result of a demonstrative experiment. The series of remote operation procedure was successfully demonstrated by experiments using a mock-up apparatus and developed remote jigs. As further issues, we planning several minor modification capable shortening of operation time.

報告書

鉛ビスマス試験装置データ処理ツールの製作

八巻 賢一*; 北 智士*; 大林 寛生; 有吉 玄; 斎藤 滋; 佐々 敏信

JAEA-Technology 2020-021, 26 Pages, 2021/02

JAEA-Technology-2020-021.pdf:2.34MB

計測機器のデジタル化が進むとともに、大型試験装置はPLC(Programmable Logic Controller)制御が主体となり、多くの試験装置がデジタル化されるようになった。また、データ記憶装置の大容量化により、PLCが管理する計測値を、実験期間全般にわたって記録可能となった。これらの記録から、鋼材の腐食試験時の環境の影響や、動特性試験時に生じた変化や異常等の現象を、多角的に分析することが容易になった。一方、長時間に及ぶ試験においては、記録されたデータ数が膨大になり、データ処理や異常を分析する際のデータ抽出に多くの時間と労力を必要とすることになった。また、PLC毎に異なるログデータ仕様にも注意し、正確にデータを整合する必要も生じている。そこで、現在核変換ディビジョンに設置する鉛ビスマス試験装置のPLCからのデータを、任意に抽出・結合・処理するためのツールを作成し、データ分析に要する作業の効率化を図った。

論文

Steady-state and transient experiments in mock-up of J-PARC LBE spallation target system using mock-up loop "IMMORTAL"

大林 寛生; 八巻 賢一; 北 智士; 吉元 秀光; Wan, T.; 斎藤 滋; 佐々 敏信

Proceedings of 18th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-18) (USB Flash Drive), p.262 - 274, 2019/08

J-PARCでは、ADS候補構造材の高温LBE流動下条件での陽子/中性子照射環境への適応性を把握し、将来設計に反映することを目的として、LBE核破砕ターゲットを用いた実験施設の建設が計画されている。施設に導入するターゲットシステムでは、400MeV-250kWのパルス陽子ビームをターゲット容器に入射させることによって材料照射データが取得する計画である。IMMORTALは、当該システムの一次冷却系の実現可能性を検証することを目的として製作されたモックアップ試験ループであり、遠隔保守性を考慮した機器配置を含めて実装されているほとんどの機器(電磁ポンプ(EMP)、熱交換器、計装など)には、実際のLBEターゲットと同じ設計が反映されている。本ループを用いた統合試験の結果、一次系の各機器が重大な問題等を生じることなく長時間の運転を達成することができた。また、過大ビーム入射事象や冷却材流量の低下などの過渡事象の模擬実験により、熱交換器の性能評価を行う共に、RELAP5-3Dを使用したLBEループシステムの安全性解析モデルを検証するためのいくつかの実験データを取得した。

論文

Fabrication of hard-coated optical absorbers with microstructured surfaces using etched ion tracks; Toward broadband ultra-low reflectance

雨宮 邦招*; 越川 博; 八巻 徹也; 前川 康成; 蔀 洋司*; 沼田 孝之*; 木下 健一*; 田辺 稔*; 福田 大治*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 356-357, p.154 - 159, 2015/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:60.95(Instruments & Instrumentation)

広帯域波長の極低反射率材料は光エネルギー管理の分野で様々な応用が期待できるが、極低反射率を持つ素材は、機械的に壊れやすいことが問題であった。そこで本研究では、CR-39基板上へのイオントラックエッチング、その後のダイヤモンドライクカーボンコートによる微細加工技術により、新しい硬質表面光吸収体を開発した。この新規光吸収層についてスペクトルの反射率を評価したところ、400-1400nmの波長域で2%と低い反射率を示した。機械特性の評価では、エアブローやテープ剥離試験による影響がなく、機械的に硬いことが確認された。

報告書

JRR-2の第2次出力上昇試験

神原 豊三; 宇野 英郎; 荘田 勝彦; 平田 穣; 庄司 務; 小早川 透; 高柳 弘; 藤村 勤; 森田 守人; 市原 正弘; et al.

JAERI 1045, 11 Pages, 1963/03

JAERI-1045.pdf:0.72MB

この報告書はJRR-2の第1次出力上昇試験後、設計出力10MWの出力上昇までの1つのステップとしての3MW,第2次出力上昇試験について記したものである。試験は昭和36年11月15日から開始され、11月29日に3MWに到達し、3MWでの連続運転を行って12月16日終了した。

口頭

ホットラボにおける微小試験片を用いた破壊靭性試験技術の開発

大津 拓与; 飛田 徹; 富施 正治; 八巻 賢一; 寺門 宙; 西山 裕孝

no journal, , 

原子炉圧力容器の照射脆化評価手法の高度化として、破断後の監視試験片から微小試験片(0.16インチ厚CT試験片)を採取し、マスターカーブ法と呼ばれる手法により破壊靭性を評価する手法が検討されている。国内では未照射材を用いたラウンドロビン試験が進められており、微小試験片により大型試験片と同等の破壊靭性を評価可能であることが確認されている。国内規格への反映のためには、照射材にも同様の手法が適用可能か確認する必要がある。そのため、遠隔操作による微小試験片を用いた破壊靭性試験を行うための試験技術を開発する必要がある。マニピュレータによる遠隔操作においては、10mm角未満である微小試験片の取り扱いには困難が伴う。すなわち、試験片のハンドリングの難しさに加え、ホットセル内でのガラス越しの作業においては、視野に制限があり、奥行き方向の感覚が掴みづらい等のことから精密作業は困難となる。本報では、遠隔操作による試験作業の容易化を目的とした、試験治具の開発、開口変位計の改良等の試験技術開発について報告する。

口頭

身近な熱形放射計を目指して; 微細加工を駆使した新型センサ及び新規黒体材料の技術開発

雨宮 邦招*; 越川 博; 八巻 徹也; 前川 康成; 蔀 洋司*; 木下 健一*; 沼田 孝之*; 田辺 稔*; 福田 大治*

no journal, , 

熱形放射計では、すべての光を反射なく吸収するとともに、それにより生じた温度変化を高感度に検出することが重要である。従来の光吸収体は広帯域であるものの脆くて扱いづらく、また熱電温度センサーの感度も十分ではなかった。そこで本研究では、最新の微細加工技術を駆使して、機械的強度を有した光吸収体材料と低ノイズの温度センサーを開発した。光吸収体については、イオンビーム照射により高分子の表面に微細錐体構造を形成した後、炭素系黒色材で被覆することで、紫外-近赤外域の反射率を1%にまで低減できる見込みである。この新規光吸収層は、エアブローやテープ剥離試験による影響がないことも確認された。一方、温度センサーとしては、温度上昇によって生じる熱変形を高感度で検出できるバイメタルMEMS方式を採用することによって、理論限界に近い検出感度を達成しつつある。

口頭

Design and fabrication of novel broadband near-perfect black absorber having microstructured surface

雨宮 邦招*; 越川 博; 八巻 徹也; 前川 康成; 蔀 洋司*; 木下 健一*; 沼田 孝之*; 田辺 稔*; 福田 大治*

no journal, , 

光吸収による温度変化を高感度で検出する熱形放射計では、入射光を反射させずにすべて吸収できる材料(以下、黒色吸収体)が不可欠であるが、低反射率と機械的強度を兼ね備えた黒色吸収体は未だに存在しない。そこで本発表では、TIARAにおけるイオンビーム微細加工技術を用いた黒色吸収体の新しい作製法を提案する。材料表面の光学応答を考慮した有限差分時間領域法による設計に基づき、CR-39の重イオンビーム照射と化学エッチングで表面に錐体構造を形成した後、炭素系黒色材で被覆した。得られた試料では、エッチピットのアスペクト比と吸収層の膜厚が十分確保されているため、紫外-近赤外域の反射率が1%以下に低減されるとともに、エアブローやテープ剥離試験にも耐えうる強度を持つことが確認された。

口頭

250 kW LBE spallation target for J-PARC Transmutation Experimental Facility

佐々 敏信; 斎藤 滋; 大林 寛生; Wan, T.; 菅原 隆徳; 北 智士*; 八巻 賢一*; 吉元 秀光*

no journal, , 

原子力機構は高レベル放射性廃棄物に起因する環境負荷を低減するため、鉛ビスマス合金(LBE)を核破砕ターゲットと炉心冷却材とする加速器駆動システム(ADS)を用いた分離核変換技術を提唱している。ADSを実現するため、原子力機構はJ-PARC計画の中で核変換実験施設(TEF)の建設を計画している。TEFを用いることで、LBE冷却ADSを設計するためのデータを蓄積し、安全にLBEを利用するための技術課題の解決を目指している。250kWのLBE核破砕ターゲットをTEFに設置し、LBE冷却ADSの作動温度域での陽子及び中性子照射データの取得を目指す。TEF-Tのリファレンスとしてターゲットの設計と最適化やさまざまな要素技術開発を進めている。ターゲット模擬と材料腐食試験のための大型LBEループも整備した。250kW LBEターゲット設計の最新の動向を報告する。

口頭

J-PARC LBE spallation target for ADS development

佐々 敏信; 斎藤 滋; 大林 寛生; 有吉 玄; Wan, T.*; 大久保 成彰; 大平 直也*; 八巻 賢一*; 北 智士*; 吉元 秀光*

no journal, , 

原子力機構は加速器駆動システム(ADS)を用いた分離変換技術によるマイナーアクチノイド低減を提案している。ADS実現のため、JAEAでは液体鉛ビスマス合金(LBE)核破砕ターゲットのJ-PARC設置を計画している。LBE核破砕ターゲットはADS設計に不可欠な技術課題を、材料照射データベースを整備することで解決することを目的としている。400MeV-250kWの陽子ビームが使用可能であり、ターゲットは熱流動解析及び構造解析によりこの陽子ビームを集束して照射して陽子・中性子照射量を可能な限り増加できるように設計されている。完全遠隔操作によるターゲット交換やフリーズシール型ドレンバルブなどの要素技術開発が実施され、ターゲットに反映されている。最新のJ-PARC鉛ビスマス核破砕ターゲットの設計を報告する。

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