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論文

Performance test of a helium refrigerator for the cryogenic hydrogen system in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.711 - 716, 2009/00

J-PARCの核破砕中性子源では1MW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4kW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。本システムでは安全性の観点から、水素保有量を少なくするために、低温水素ループをヘリウム冷凍機で冷却する2元式冷凍方式を採用した。試運転でヘリウム冷凍機の単体性能試験を行い、冷凍能力を評価した。15.5Kで6.45kWの冷凍能力が得られ、設計値を十分上回る性能を確認した。

論文

Commissioning of the cryogenic hydrogen system in J-PARC; First cool-down operation with helium

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.717 - 722, 2009/00

J-PARCの核破砕中性子源では1MW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4kW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。安全性の観点から、はじめての低温試験においては、不活性ガスであるヘリウムを用いて低温水素システムの低温試験を行い、20時間以内で定格状態(20K)まで冷却することができ、低温状態におけるシステムの健全性を確認することができた。

論文

Forced convection heat transfer of nitrogen at supercritical pressure

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 塩津 正博*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.383 - 388, 2009/00

超臨界水素の熱伝達に関する知見は中性子源用モデレータの設計に不可欠である。本研究では、ポンプを使用せずに強制流動を発生できる実験装置を開発した。超臨界水素に関する基礎研究として、超臨界窒素を用いて水平円管発熱体における強制対流熱伝達を圧力,温度,流速を種々に変化させて実験を行った。本実験装置で、最大で5m/s流速が得られた。発熱体はステンレス製で、内径5.4mm,長さ100mmの円管発熱体で、その外側はFRPにより断熱されている。臨界温度以下での熱伝達係数,擬臨界限界熱流束は、流速と入口温度とともに大きくなる結果が得られた。表面温度が臨界温度を超えると、熱伝達の劣化がみられた。臨界温度以下での熱伝達係数の無次元数Nu/Pr$$^{0.4}$$はRe0.8乗に比例する関係が得られた。実験結果はReが低くなると、その相関関係からずれ、プール中の自然対流熱伝達から得られる値に漸近する結果が得られた。さらに、擬臨界限界熱流束を予測する表示式を導出した。

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

Forced convection heat transfer to supercritical fluids

塩津 正博*; 達本 衡輝; 白井 康之*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.359 - 364, 2008/07

超臨界ヘリウム冷却のCICC導体の冷却設計において、超臨界圧状態のヘリウムの強制対流熱伝達に関する正確な知見が必要である。われわれは、超臨界ヘリウムにより冷却した水平ダクト内の平板発熱体からの強制対流熱伝達に関する実験を行った。その結果から、超臨界と亜臨界状態の超流動ヘリウム(HeII),超臨界と亜臨界状態の常流動ヘリウム(HeI)において、異なる冷却モードが存在することを明らかにした。一方、水やCO$$_{2}$$といった低温流体以外の流体では、超臨界圧状態での実験データや熱伝達相関式は数多く存在している。それらのほとんどが、われわれが用いたヒータより十分長いヒータを使用しており、臨界温度に対するヒータ表面温度の増加率は、ヘリウムの場合に比べて非常に小さい。本研究では、超臨界ヘリウムでのわれわれの実験結果をこれまでの水やCO$$_{2}$$での相関式と比較検討した。ヘリウムの実験データは、これまでの相関式では表すことが不可能であることがわかった。さらに、これらの相違に対する検討を行い、超臨界流体に対する新しい強制対流熱伝達相関式を導出した。

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