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論文

New research programme of JAEA/CLADS to reduce the knowledge gaps revealed after an accident at Fukushima-1; Introduction of boiling water reactor mock-up assembly degradation test programme

Pshenichnikov, A.; 倉田 正輝; Bottomley, D.; 佐藤 一憲; 永江 勇二; 山崎 宰春

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(4), p.370 - 379, 2020/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:25.23(Nuclear Science & Technology)

The new research and development programme of JAEA/CLADS tests complement the previous investigations related to BWR severe accidents. A series of tests aiming at closing the gaps in understanding of the Fukushima Daiichi degradation sequence at each unit. The paper emphasises the problem of control blade degradation, which influences the accident progression at an early stage and shows the approach for thorough investigation of this problem.

論文

Features of a control blade degradation observed ${it in situ}$ during severe accidents in boiling water reactors

Pshenichnikov, A.; 山崎 宰春; Bottomley, D.; 永江 勇二; 倉田 正輝

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(5), p.440 - 453, 2019/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:16.3(Nuclear Science & Technology)

In the present paper new results using ${it in situ}$ video, are presented regarding BWR control blade degradation up to 1750 K at the beginning of a nuclear severe accident. Energy-dispersive X-ray spectrometry (EDS) mapping indicated stratification of the absorber blade melt with formation of a chromium and boride-enriched layer. High content-B- and C-containing material with increased melting temperature acted like a shielding and was found to prevent further relocation of control blade claddings. The interacted layers around the B$$_{4}$$C granules prevented direct steam attack of residual B$$_{4}$$C. The results provide new insights for understanding of the absorber blade degradation mechanism under reducing conditions specific to Fukushima Dai-Ichi Unit 2 resulting from prolonged steam starvation.

論文

Heterogeneity of BWR control blade degradation under steam-starved conditions

Pshenichnikov, A.; 山崎 宰春; 永江 勇二; 倉田 正輝

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 8 Pages, 2019/05

This paper presents recent results on high-temperature control blade degradation at the very beginning phase of a severe accident in BWRs. The large-scale experiment has been performed in JAEA-CLADS laboratory using Large-scale Equipment for Investigation of Severe Accidents in Nuclear reactors (LEISAN). A prototypic sequence of Fukushima Daiichi (1F) Unit 2 has been taken. It has been shown that due to specific conditions happened at Unit 2 the lack of available oxygen allowed metallic melt more flexibility for relocation and inhomogeneous redistribution of melt components due to specially recreated temperature gradient. Phase composition of remained B$$_{4}$$C control blade claddings at different elevations, and phase composition of melt has been investigated by complementary methods and have shown significant difference in elevations together with stratification of metallic components with origination of high melting point layers due to redistribution of steel components and involvement of B and C. It allowed absorber blade residuals with B$$_{4}$$C inside being severely damaged by melting to survive at 1475$$^{circ}$$C and protect B$$_{4}$$C from direct contact with steam.

論文

The Behaviour of materials in case of solidified absorber melt - oxidized BWR channel box interaction revealed after CLADS-MADE-01 test

Pshenichnikov, A.; 倉田 正輝; 永江 勇二; 山崎 宰春

Proceedings of International Topical Workshop on Fukushima Decommissioning Research (FDR 2019) (Internet), 4 Pages, 2019/05

The paper summarizes the first results of a thorough SEM investigation uncovering the process of channel box wall penetration by Fe-Cr-Ni-B containing melt. The preliminary oxidation of channel box is shown to play an important role on severe accident progression resulted in the suppression of channel box massive destruction. Only one small droplet came out to the other side of channel box. The mechanism of local beginning of oxide layer destruction with subsequent Zircaloy-4 channel box penetration is under discussion.

論文

High temperature oxidation test of simulated BWR fuel bundle in steam-starved conditions

山崎 宰春; Pshenichnikov, A.; Pham, V. H.; 永江 勇二; 倉田 正輝; 徳島 二之*; 青見 雅樹*; 坂本 寛*

Proceedings of Annual Topical Meeting on Reactor Fuel Performance (TopFuel 2018) (Internet), 8 Pages, 2018/10

燃料集合体の酸化及び水素吸収はその後の事故進展挙動に影響を与えることから、PWR燃料集合体では、実効的な水蒸気流量としてg-H$$_{2}$$O/sec/rodという単位が導入されており、事故進展評価の重要なパラメータといて用いられている。一方BWRにおいては、燃料集合体の構成がPWRとは異なることにより、PWRで用いられている規格化された水蒸気流量ではチャンネルボックスの内外での酸化及び水素吸収の差が正確に評価できない。そのため、PWRで用いられているg-H$$_{2}$$O/sec/rodという規格化された水蒸気流量に代わる、適切な評価パラメータがBWRでも必要である。そこで、ジルカロイの水蒸気枯渇条件での酸化及び水素吸収データを取得するため、実機を模擬したBWRバンドル試験体を用いて高温酸化試験を行なった。BWRにおける水蒸気流量を規格化するため、水蒸気流路断面積を考慮したパラメータを検討した。

論文

Operation status of the J-PARC ion source

小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 山崎 宰春; 高木 昭*; 小泉 勲; 上野 彰

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.011009_1 - 011009_6, 2015/09

A cesium-free negative hydrogen ion source driven with a LaB6 filament is being operated for J-PARC. The ion source has been providing a beam for approximately eight years without any serious troubles. The source plasma is produced by an arc discharge and confined by a multi-cusp magnetic field produced by permanent magnets surrounding the chamber wall. The ion source has been operated in two different modes such as low current mode of 19 mA and high current mode of 32 mA. Continuous operation for about six weeks and about one week was achieved in low and high current mode, respectively. After the operation, we replace the filament by a brand-new one to prevent the filament from failing during the operation. The required time for the replacement including the filament degassing process, the vacuuming and the conditioning operation is about 15 hours.

論文

Beam test of a new radio frequency quadrupole linac for the Japan Proton Accelerator Research Complex

近藤 恭弘; 森下 卓俊; 山崎 宰春; 堀 利彦; 澤邊 祐希; 千代 悦司; 福田 真平; 長谷川 和男; 平野 耕一郎; 菊澤 信宏; et al.

Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 17(12), p.120101_1 - 120101_8, 2014/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:54.22(Physics, Nuclear)

J-PARCのビーム電流増強用の新しいRFQ(RFQ III)のビーム試験を行った。まず、RFQ IIIのコンディショニングが行われ、20時間のコンディショニング後に、400kW、デューティーファクター1.5%の非常に安定なRF入力を達成した。次に、加速器トンネルに設置する前にオフラインのビームテストを行った。50mA負水素ビームの透過率、エミッタンス、エネルギー分散を測定し、シミュレーションと比較した。実験結果とシミュレーションは良い一致を示し、RFQ IIIが設計通りの性能を発揮していることが示された。

論文

Beam test of a new RFQ for the J-PARC linac

近藤 恭弘; 森下 卓俊; 山崎 宰春; 堀 利彦; 澤邊 祐希; 高木 昭*

Proceedings of 27th International Linear Accelerator Conference (LINAC 2014) (Internet), p.267 - 269, 2014/12

J-PARCリニアックの運転に必要な新しい324MHz、3MeV H$$^{-}$$ RFQ (RFQ III)のビーム試験を行った。RFQ IIIは、J-PARCの要求を満たすために設計された初めてのRFQである。ピークビーム電流は50mA、パルス幅は500micro-sec、繰り返しは25 Hzである。2014年夏の、加速器トンネルへのインストールに先立って、オフラインでのビーム試験を行った。透過率やエミッタンスといった基本的なビームパラメータの測定を行ないシミュレーションと比較した。透過率のヴェーン間電圧依存は、実験データとシミュレーションの間で良い一致がみられた。縦エミッタンスの測定値は、x 0.29$$pi$$ mm mrad、y 0.35$$pi$$ mm mradに対し、シミュレーションではx 0.27$$pi$$ mm mrad y 0.31$$pi$$ mm mradであり、よく一致した。この論文では、ビーム試験の結果について述べる。

論文

J-PARCリニアックの現状

小栗 英知; 長谷川 和男; 伊藤 崇; 千代 悦司; 平野 耕一郎; 森下 卓俊; 篠崎 信一; 青 寛幸; 大越 清紀; 近藤 恭弘; et al.

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.389 - 393, 2014/10

J-PARCリニアックでは現在、ビームユーザに対する利用運転を行うとともに、リニアック後段の3GeVシンクロトロンにて1MWビームを加速するためのビーム増強計画を進めている。リニアックのビーム増強計画では、加速エネルギー及びビーム電流をそれぞれ増強する。エネルギーについては、181MeVから400MeVに増強するためにACS空洞及びこれを駆動する972MHzクライストロンの開発を行ってきた。これら400MeV機器は平成24年までに量産を終了し、平成25年夏に設置工事を行った。平成26年1月に400MeV加速に成功し、現在、ビーム利用運転に供している。ビーム電流増強では、初段加速部(イオン源及びRFQ)を更新する。イオン源はセシウム添加高周波放電型、RFQは真空特性に優れる真空ロー付け接合タイプ空洞をそれぞれ採用し、平成25年春に製作が完了した。完成後は専用のテストスタンドにて性能確認試験を行っており、平成26年2月にRFQにて目標の50mAビーム加速に成功した。新初段加速部は、平成26年夏にビームラインに設置する予定である。

論文

J-PARCイオン源の運転状況

大越 清紀; 池上 清*; 小泉 勲; 上野 彰; 高木 昭*; 山崎 宰春; 小栗 英知

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.946 - 949, 2014/06

東日本大震災復旧後のJ-PARCイオン源は、特に大きな故障等も無く順調にビーム供給を行っている。稼働率向上のため運転サイクルを50日に延伸したが、ビーム電流はLaB$$_{6}$$フィラメントの寿命を考慮して19mAに制限していた。2013年1$$sim$$2月の利用運転では、ユーザーからビーム電流増加の要望があったため、22mAに上げて運転を行ったが、運転47日目にフィラメントが断線した。断線の約10時間前にフィラメント電流減少率の急増が観測され、これをフィラメント断線の予兆と判断してフィラメント交換のための準備を整えていたため、深夜の断線にもかかわらずフィラメント交換作業と調整運転がスムーズに進み、断線から約8時間後には利用運転を再開できた。また、4月に3GeVシンクロトロンのスタディのために約30mAでの運転を8日間連続で行い、スタディ中はイオン源調整することなく最後まで安定にビームを供給することができた。

論文

J-PARCセシウム添加高周波駆動負水素イオン源の開発状況

小泉 勲; 上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 山崎 宰春; 小栗 英知

Proceedings of 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.920 - 923, 2014/06

J-PARC第2ステージの要求を満たすイオン源としてセシウム添加高周波駆動(RF)負水素イオン源の開発を行っている。現在テスト中のRFイオン源は、J-PARC実機イオン源をベースに改良を施している。ソースプラズマは30MHz-RFを連続的に印加し、2MHz-RFをパルス的に重畳して生成している。200$$^{circ}$$C$$sim$$240$$^{circ}$$Cに加熱されたオーブン内の蒸気化されたセシウム(Cs)は、圧空バルブ開によりプラズマ生成室内に導入される。ビーム強度は、圧空バルブ開時間によるCs量の最適化、冷却板への圧空量によるPE温度、軸磁場補正用(AMFC)コイル電流による軸磁場補正等により最大化が図られる。無酸素銅製プラズマ真空容器を使用したプロトタイプイオン源で、上記の目標が達成可能であるとの実験結果を2012年報告した。2013年は、ステンレス鋼製プラズマ真空容器の実験結果を報告する。ステンレス鋼製プラズマ真空容器は軽量化を目的に採用しており、あらかじめ真空リークテスト可能なプラズマ電極から天板まで一体化されたプラズマ真空容器をイオン源に組込むことにより、稼働中のJ-PARC実機イオン源と同様、短時間での交換が可能となる。観測された両生成室間の相違点についても報告する。

論文

Dependence of beam emittance on plasma electrode temperature and rf-power, and filter-field tuning with center-gapped rod-filter magnets in J-PARC rf-driven H$$^{-}$$ ion source

上野 彰; 小泉 勲; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 山崎 宰春; 小栗 英知

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B133_1 - 02B133_5, 2014/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:61.93(Instruments & Instrumentation)

J-PARC第二ステージの要求性能である水平・垂直両方向の規格化エミッタンス1.5$$pi$$mm$$cdot$$mrad内に60mAのビーム強度、フラットトップビームデューティファクター1.25$$%$$(500$$mu$$s$$times$$25Hz)と50日以上の寿命を達成したプロトタイプ高周波駆動H$$^-$$イオン源の実験結果を、第3回負イオンシンポジウム(NIBS2012)で報告した。メンテナンス時間の短縮に必須の天板からプラズマ電極(PE)迄ユニット化したイオン源を人力でビームラインに設置可能な重量とするため、プラズマ容器の材質を無酸素銅からステンレス鋼に変更しビーム試験を行った。両イオン源の比較から、(1)ビームエミッタンスがPE温度(T$$_P$$$$_E$$)と高周波電力に依存すること、(2)中央部にギャップを設けたロッドフィルター磁石のギャップ長を変更することでフィルター磁場の微調整が可能で低高周波電力で必要ビーム強度が達成できることの2つの重要な事実が判明したので報告する。

論文

J-PARC負水素イオン源の運転状況

小栗 英知; 池上 清*; 大越 清紀; 小泉 勲; 高木 昭*; 滑川 裕矢*; 山崎 宰春; 上野 彰

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1081 - 1083, 2013/08

東日本大震災で大きな被害を受けたJ-PARCは、震災発生から約9か月後の平成23年12月にビーム運転を再開した。イオン源の震災被害は、加速器トンネルの地下水浸水による本体表面の結露、ガラス製ビューイングーポート破損による真空リーク及び振動による真空ポンプの故障等であったが、幸い大規模な復旧作業を要するほどには至らず、10月中旬にはイオン源の試験運転を再開できた。イオン源のメンテナンス頻度を決定するのはフィラメント寿命であるが、17mAのビーム条件下で震災前に1回、震災後に2回の計3回の2か月連続運転を行い、いずれも運転期間途中でのフィラメント交換無しで運転を行うことができた。3回のうち1回は、3GeVシンクロトロンにてビーム出力400kWのデモ運転を行うために6日間の28mAビーム運転を実施したが、フィラメント寿命やビーム安定性に特に問題は発生しなかった。イオン源のメンテナンス所要時間の短縮は加速器の稼働率向上には必須であり、そのためにフィラメントのプレベーキング装置等を整備してきた。現在、メンテナンス開始から24時間後にビームを供給することを試行中であり、今までに2回実施したが特に問題なく時間内にビームを供給できた。

論文

J-PARC用セシウム添加高周波駆動負水素イオン源の開発状況

山崎 宰春; 上野 彰; 滑川 裕矢*; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 小泉 勲; 小栗 英知

Proceedings of 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.260 - 264, 2013/08

現在J-PARC次期計画用イオン源として、ビーム強度: 60mA、パルス幅: ビームフラットトップで500$$mu$$s、繰り返し: 25Hzを目標とした、セシウム添加高周波駆動(RF)負水素イオン源の開発を行っている。現在テスト中のRFイオン源は、J-PARCの実機イオン源をベースにさまざまな改良を施しており、その特徴はSNS(Spallation Neutron Source)で開発された内部RFアンテナを使用、冷却板付プラズマ電極(PE)の採用、セシウムオーブンや軸磁場補正用(AMFC)コイルの追加等である。セシウム添加条件の最適化を図り、さらにAMFCコイルとLEBTソレノイドによる軸磁場補正という新しい手法を用いた結果、現在、ビーム電流77mA、さらにRFQ入口設計値1.5$$pi$$mm$$cdot$$mrad内エミッタンスにおいて90%のビームフラクションを得ており、基本ビーム性能としてはJ-PARC次期計画の要求を十分満たす結果である。100時間を超える長時間の連続試験運転を行った結果、1日1回に4分間のセシウム添加で、RF出力40kW時に66mA以上の強度のビームを安定して引き出せることを確認した。

口頭

J-PARC用高周波駆動負水素イオン源の開発

上野 彰; 滑川 裕矢; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 小栗 英知; 山崎 宰春

no journal, , 

J-PARC加速器では、目標ビーム電力1MW達成のため、ピークビーム電流60mAの負水素イオン源の開発が行われている。米国オークリッジ国立研究所SNS(Spallation Neutron Source)施設の負水素イオン源(定常運転時/試験時RFQ出射ピークビーム電流38/56mA)用に開発されたRFアンテナを使用した高周波駆動負水素イオン源の開発状況を報告する。ビーム引き出し系は、基本的にJ-PARCイオン源のものを使用した。プラズマ容器内直径$$phi$$100mmから$$phi$$120mmへの拡大によるプラズマ電極温度制御用水冷管付プラズマ電極冷却板の追加、セシウム(Cs)添加用オーブンの追加、天板変更によるRFアンテナの使用、及び、ロッドフィルターフランジの追加によるプラズマ電極付近の低温プラズマの生成を可能にしている。パルス高周波デューティ2.5%(1ms$$times$$25Hz),Csオーブン温度175$$^{circ}$$C,プラズマ電極水冷(電極温度33$$^{circ}$$C)の条件で、ピーク電流60mAの負水素イオンビームの生成に成功した。

口頭

高周波イオン源の軸磁場効果

山崎 宰春

no journal, , 

J-PARC次期計画用イオン源として、ビーム強度: 60mA、パルス幅: ビームフラットトップで500$$mu$$s、繰り返し: 25Hzを目標とした、セシウム添加高周波駆動(RF)負水素イオン源の開発を行っている。現在、ビーム電流77mA、さらにRFQ入口設計値1.5$$pi$$mm$$cdot$$mrad内エミッタンスにおいて90%のビームフラクションを得ており、基本ビーム性能としてはJ-PARC次期計画の要求を十分満たす結果である。本イオン源では、軸磁場補正(AMFC)コイルとソレノイド磁石を用いることにより軸磁場を最適化した。軸磁場補正の結果、RF出力を増加させることなく、軸磁場補正前と比較してビーム強度は10%も増加した。本会議においては、J-PARC高周波イオン源に対する軸磁場効果について報告する。

口頭

最近のJ-PARCイオン源実機の状況

山崎 宰春

no journal, , 

東日本大震災復旧後のJ-PARCイオン源では、ビーム電流はLaBn$$_{6}$$フィラメントの寿命を考慮して50日連続運転の実績がある19mAに制限していたが、平成25年1月から2月の利用運転では、ビーム電流増加の要望に従いビーム電流を22mAに上げて運転を行った。その結果、運転47日目にフィラメントが断線した。断線の約10時間前にフィラメント電流減少率の急増が観測され、これをフィラメント断線の予兆と判断してフィラメント交換の準備を整えていたため、断線から約8時間後にはビーム利用運転を再開することができた。これまでの運転実績およびイオン源単独での連続運転テストから、30mA規模運転時のフィラメント寿命を評価した。フィラメント重量減少率がアークパワーと運転時間の積にほぼ比例することが分かり、その結果、ビーム強度32mA運転では約430時間のフィラメント使用が可能(連続運転が可能)と評価できた。また、J-PARCビーム増強計画の一環として行っている50mA用初段加速部の開発を進めるために、RFイオン源とRFQで構成される初段加速部テストスタンドを構築した。近日、本テストスタンドにて、RFイオン源の実証試験、及びRFQと合わせたビーム試験等を行う予定である。

口頭

Specifications of CLADS test facilities for fuel degradation simulation

Pshenichnikov, A.; 山崎 宰春; 永江 勇二; 倉田 正輝

no journal, , 

Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has to establish the scientific basis for the decommissioning of the Boiled Water Reactors (BWR) at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station and provide the information on the nuclear fuel behavior during the nuclear accidents. To address these problems JAEA has developed several test facilities which combine unique features for the R&D related to Severe Accident (SA) propagation behavior for BWRs. The technical data and main features of the facilities will be introduced to the International audience to give an understanding of JAEA research abilities and possible collaboration in the severe accidents research.

口頭

CLADS test facilities on BWR core material degradation

永江 勇二; 柴田 裕樹; Pshenichnikov, A.; 山崎 宰春; 倉田 正輝

no journal, , 

Two control blade degradation test facilities which were designed for the investigation of high temperature degradation of the nuclear reactor elements, have been set up in Tomioka-site. One was a test facility for small-scale samples and another one was test facility for large-scale samples. In situ video of the experiment and mass-spectrometric analysis of the output gases can be carried out during tests, and heating rate can be controlled up to 1 K/s. The working area of the large-scale facility consists of the isolated heating area 1.2 m height with the water cooled lower part to achieve the natural temperature gradient conditions as during severe accident. Steam rate in large-scale facilities can be controlled in the range of 15-100 g/min, and a test piece for the control blade degradation tests can be used to simulate a part of the control blade and fuel assembly. Chemical reaction between stainless steel/B$$_{4}$$C and Zry is affected by the oxide layer on Zry. The oxidation behavior depends on steel flow rate and tendency of control blade degradation possibly has threshold condition. According to pretest, critical condition for reaction between molten control rod and channel box can be recognized. Further analysis and tests in various steam rate will be conducted to evaluate the critical condition.

口頭

Focusing the test strategy of CLADS-MADE-01 and first results of the BWR control blade degradation test

Pshenichnikov, A.; 山崎 宰春; 永江 勇二; 倉田 正輝

no journal, , 

Current presentation gives a deep analysis of the progression of the 1F accident at Unit 2. Based on that analysis the explanation of the strategy for a severe accident test program of JAEA-CLADS to contribute to understanding of accident progression at 1F Unit 2 is given. First result of CLADS-MADE-01 (BWR control blade degradation test) is presented.

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