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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.

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。

報告書

液体鉛ビスマス共晶合金中の酸素濃度測定実験; 基礎試験とガンマー線照射の影響評価

菅原 隆徳; 北 智士*; 吉元 秀光*; 大久保 成彰

JAEA-Technology 2018-008, 26 Pages, 2018/09

JAEA-Technology-2018-008.pdf:10.35MB

液体鉛ビスマス共晶合金(LBE)を用いた加速器駆動核変換システム(ADS)やJ-PARC核変換実験施設(TEF)のADSターゲット試験施設(TEF-T)等のLBE試験ループにおけるLBE中酸素濃度測定に資するため、2つの基礎的な試験およびガンマー線照射の影響評価を行った。基礎的な試験では、触媒塗布範囲の影響評価およびフリーズシール構造の検討を行った。触媒塗布範囲については、塗布範囲が小さいほど、LBE温度が低い時の測定精度が悪いことが確認された。フリーズシール構造については、0.5MPaの圧力がかかった場合でも、LBE漏洩が防止できる設計を実現した。ガンマー線照射の影響評価については、ex-situの試験を実施し、1kGy/hで4000時間の照射(4MGy)を行っても、ガンマー線照射の影響はほとんどないことを確認した。

論文

Design of 250kW LBE spallation target for the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)

佐々 敏信; 斎藤 滋; 大林 寛生; 菅原 隆徳; Wan, T.; 山口 和司*; 吉元 秀光

NEA/CSNI/R(2017)2 (Internet), p.111 - 116, 2017/06

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、加速器駆動システム(ADS)を用いた高レベル放射性廃棄物に起因する環境負荷の低減を提案している。ADSを実現するため、J-PARC計画の一環として、核変換実験施設(TEF)の計画している。JAEAが提案するADSは鉛ビスマス共晶合金(LBE)を未臨界炉心の冷却材及び核破砕ターゲットとして採用している。J-PARCのTEFを活用し、ADSの設計に必要なデータを収集し、LBE利用の技術課題の解決を図る。250kWのLBE核破砕ターゲットをTEFに設置し、材料照射データベースを構築する。TEFを建設するために必須な様々な技術開発として、酸素濃度制御技術、計測機器開発、遠隔操作によるターゲット保守技術とともにターゲットの詳細設計を実施している。250kW核破砕ターゲット最適化の最新の状況を報告する。

口頭

R&D activities on oxygen sensor and potential control for lead-bismuth eutectic

菅原 隆徳; 山口 和司; 大林 寛生; 斎藤 滋; 吉元 秀光; 佐々 敏信

no journal, , 

原子力機構では、加速器駆動未臨界システム(ADS)による高レベル放射性廃棄物の分離変換を目指し、その研究開発を進めるため、核変換実験施設(TEF)の建設を計画している。TEFは2つの実験施設から構成されるが、そのうちの1つであるADSターゲット試験施設(TEF-T)では、液体鉛ビスマス(LBE)に陽子ビームを当て、照射の効果や材料試験の研究を行う予定である。一方で、LBEは腐食性が強いことから、LBE中の酸素濃度を適切に制御し、鋼材の腐食を防ぐ必要がある。酸素濃度を制御するためには、それを測定するためのセンサーが必要となる。原子力機構では、2種類のセンサーを試作し、そのうちの1つが広い温度範囲で適切な出力を出すことを確認した。また酸素濃度制御についても、目標とする濃度範囲で酸化、還元の操作を実行し、適切に制御を行った。

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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