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徳永 翔; 堀口 洋徳; 中村 剛実
JAEA-Technology 2023-001, 37 Pages, 2023/05
JAEA-Technology-2023-001.pdf:1.39MB
研究用原子炉JRR-3の冷中性子源装置(Cold Neutron Source: CNS)は、原子炉内で発生した熱中性子を減速材容器内に貯留した液体水素により減速し、エネルギーの低い冷中性子に変換する装置である。CNSから発生した冷中性子は、中性子導管を用いて実験装置に輸送され、生命科学、高分子科学、環境科学等を中心とする多くの物性研究に利用されている。中性子科学における世界の研究用原子炉との競争力を維持するためには、冷中性子強度の改善は不可欠であり、新たな知見を取り入れた新型CNSの開発を進めている。現行のJRR-3のCNSの減速材容器は、水筒型のステンレス製容器を採用しており、材質及び形状の変更により冷中性子束の強度を向上させることが可能である。そのため、新型減速材容器の基本仕様は、材質を中性子吸収断面積の小さいアルミニウム合金に変更し、さらに、モンテカルロ計算コードMCNPを用いて最適化した容器形状に変更した。これらの仕様変更に伴い、発熱や伝熱の条件に変更が生じることから、熱流力設計上の成立性を確認するため、JRR-3のCNSについて自己平衡性、熱輸送限界及び耐熱・耐圧等について改めて評価を行った。本報告書は、新型減速材容器に関わる熱流力設計上の評価を実施し、その結果を纏めたものである。
勅使河原 誠; 池田 裕二郎*; Yan, M.*; 村松 一生*; 須谷 康一*; 福住 正文*; 能田 洋平*; 小泉 智*; 猿田 晃一; 大竹 淑恵*
Nanomaterials (Internet), 13(1), p.76_1 - 76_9, 2023/01
被引用回数：2 パーセンタイル：54.89(Chemistry, Multidisciplinary)冷中性子以下の中性子強度を高めるため、ナノサイズグラフェンの集合体が、ナノダイヤモンドと同様に中性子のコヒーレント散乱を促進できることを提案した。さらには、グラフェンの強いsp2結合は、高い耐放射線性を有する可能性を秘める。理研の加速器駆動型小型中性子源やJ-PARCのiMATERIAを用いて、ナノサイズグラフェンの中性子全断面積測定,中性子小角散乱測定を行った。測定結果より、ナノサイズのグラフェン集合体は、コヒーレント散乱に起因すると考えられる冷中性子エネルギー領域での全断面積と小角散乱を増大させ、ナノダイヤモンドと同様に高い中性子強度をもたらすことを世界で初めて明らかにした。
Ma, B.*; 勅使河原 誠; 若林 泰生*; Yan, M.*; 橋口 隆生*; 山形 豊*; Wang, S.*; 池田 裕二郎*; 大竹 淑恵*
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 995, p.165079_1 - 165079_7, 2021/04
被引用回数：2 パーセンタイル：34.88(Instruments & Instrumentation)理研加速器駆動型小型中性子源における冷中性子モデレータの最適化を行った。安全かつ管理の容易な物質であるメシチレンをモレデータ材として選択し、粒子・重イオン輸送計算コードシステム(PHITS)を用いて、20Kメシチレンモデレータに室温ポリエチレン(PE)プレモデレータ組み合わせ、スラブ形状で結合した冷中性子の最適化を行った。冷中性子強度を増加させるために、メシチレンとPEの厚さ, 反射体、及び遮へい配置のパラメータを検討した。中性子発生ターゲットから2mの位置で冷中性子強度1.15
10
n/cm
/
Aを達成した。これは現在のPEモデレータの12倍である。メシチレンが冷中性子モデレータ材料として魅力的なモデレータ材であることを示した。
新居 昌至; 田村 格良; 羽沢 知也
JAEA-Technology 2015-010, 52 Pages, 2015/05
JAEA-Technology-2015-010.pdf:7.11MB
研究炉加速器管理部では、より多くの冷中性子をユーザーに供給するため、既存のCNS減速材容器の約2倍の冷中性子束を取り出すことのできる高性能減速材容器の開発を第2期中期計画で実施している。本報告書では、高性能減速材容器の基本設計仕様に基づき、設計強度評価、試験体を用いた強度試験、液体水素の流動解析、異材接合部の強度評価を行った。評価の結果、開発した高性能減速材容器がJRR-3のCNS減速材容器として適用可能であることを確認した。
大山 幸夫; 池田 裕二郎
放射線と産業, (107), p.45 - 51, 2005/09
原研とKEKが進める大強度陽子加速器計画(J-PARC)の中性子源施設について、J-PARC計画の概要とともに、中性子源設計の詳細について解説をする。
麻生 智一; 佐藤 博; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 門出 政則*
Proceedings of ICANS-XVI, Volume 2, p.935 - 944, 2003/07
J-PARCの核破砕ターゲットシステムでは、高い中性子強度・パルス性能を同時に実現できる扁平型構造の非結合型モデレータ、及び、高強度冷中性子ビームを広い立体角すなわち多くの利用者に供給可能な円筒型構造の結合型モデレータを設置する。超臨界水素(1.5MPa,20K)の使用を視野に入れた冷減速材の設計においては、容器構造設計とともに、容器内流動の妥当性を最適化する必要がある。扁平型及び円筒型冷減速材容器に関して、アクリル製の模擬容器を用いた水による可視化流動実験を行い、再循環流や流れの停滞域などの流動場を明らかにした。流動解析結果と実験を比較し、解析コードを検証した。これにより容器構造に対する実機容器内水素の温度分布の予測が精度よく可能となった。
麻生 智一; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 門出 政則*
Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 8 Pages, 2003/04
核破砕ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いる冷減速材は中性子強度やパルス性能などの中性子性能に直接影響する重要な機器である。J-PARCでは、高い中性子強度・パルス性能を同時に実現できる扁平型構造と、大強度冷中性子ビームを広い立体角、すなわち多くの利用者に供給可能な円筒型構造の冷減速材容器をターゲットシステムに設置する予定である。いずれも高圧低温の液体水素を流動させるために、超臨界水素条件(1.5MPa,20K)までを視野に入れた構造設計とともに、中性子性能を低下させる局所の水素温度上昇を防止するように容器内流動を最適化する必要がある。そこで、扁平型及び円筒型冷減速材容器に関して、水による可視化流動実験をアクリル製の模擬容器を用いて行い、再循環流や流れの停滞域などの流動場を明らかにして、流動解析結果と比較評価するとともに、実機容器内液体水素の温度分布を予測した。また、容器底面における衝突噴流の熱伝達特性を予備的に求め、解析コードの検証を行った。以上の結果から、冷減速材設計における工学的な実現性の見通しを得た。
桜井 文雄; 堀口 洋二; 小林 晋昇; 高柳 政二
Physica B; Condensed Matter, 311(1-2), p.7 - 13, 2002/01
被引用回数：9 パーセンタイル：45.24(Physics, Condensed Matter)JRR-3は1985-1990年において、利用ニーズに対応するため大改造され、その後中性子ビーム実験を中心に利用されている。さらに、使用済み燃料発生の抑制のためのシリサイド燃料化を1999年に実施した。また、ビーム利用要求の増大に対応するために、熱中性子ビーム導管のスーパーミラー化を1998年から実施している。JRR-4においては、1996-1998年において、低濃縮シリサイド燃料化,原子炉施設の更新,医療照射設備の新設等を実施した。JRR-3の将来計画としては、連続中性子ビームの特徴を考慮し、物質・生命科学を中心とした中性子利用研究の一層の推進を図るための設備の整備を進め、大陽子加速器との相補的利用を図る。JRR-4については、医療設備を中心に利用促進を図る。
桜井 文雄; 大友 昭敏; 掛札 和弘; 海江田 圭右
KAERI/GP-128/98, p.205 - 221, 1998/00
JRR-3Mの中性子ビームは、その質及び強度が世界のトップレベルであることから、各種中性子散乱実験装置は100%活用されている。また、各装置に対する利用申込みはマシンタイムの約2倍に達している。このような状況から、研究炉部においては、今後も安定な冷中性子ビームの利用を達成するため、今年度冷中性子源減速材容器の交換を実施する。さらに、より高度な実験要求に応えるため新装置の開発を実施するとともに、より多くの研究者がJRR-3Mの中性子ビームを使用する実験ができるように、既設中性子導管のスーパーミラー導管への交換を計画している。以上のJRR-3M中性子ビーム利用に関する研究炉部の活動について報告する。
渡辺 昇*; 勅使河原 誠*; 高田 弘; 中島 宏; 大山 幸夫; 永尾 忠司*; 甲斐 哲也; 池田 裕二郎; 小迫 和明*
Proc. of 14th Meeting of the Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-14), 2, p.728 - 742, 1998/00
原研中性子科学研究計画における5MW核破砕中性子源の概念設計について詳細に報告する。まず中性子源施設の基本コンセプトの検討にはじまり、新しいターゲット・モデレータ・反射体システムの提案、新しい高性能冷モデレータの開発、ターゲット材料の選択及び形状の最適化、ターゲット・モデレータ結合の最適化、中性子強度及びパルス特性の性能評価、欧米の競争相手の性能との比較等を行い、原研計画における中性子源が、世界最高の性能を出し得ることを示した。また技術的に最も困難と予想される冷モデレータについて核発熱空間分布を計算し、その実現へ向けての開発研究に必要な知見を得た。すなわち、核発熱密度が極めて高く、ホットスポットでは20W/cmにも達すること、これを緩和するため、冷中性子源用モデレータにあってはプレモデレータ付とすることにより約1/3に熱負荷が軽減できるなど、多くの知見をもたらした。
熊井 敏夫; 掛札 和弘; 高柳 政二
ASRR-V: Proc., 5th Asian Symp. on Research Reactors, 2, p.619 - 626, 1996/00
JRR-3Mの冷中性子施設は、冷中性子源装置及び中性子導管から成っており、JRR-3改造の主目的の一つとして高中性子束研究炉に我が国で初めて1990年に設置され、以来約5年間順調に稼動してきている。冷中性子源装置は、液体水素を減速材として、これをサーモンサイフォン回路で循環する型で、中性子導管は、ニッケルを蒸着したガラス管を並べたものである。これらの主要な特性として、冷中性子源利得は、波長4
以上の中性子に対して10以上であり、中性子導管出口の冷中性子束は、約210
n/cm・s/20MWである。この冷中性子は、研究所内外の中性子ビーム実験に広く利用されている。本発表では、上記施設の設計、建設、特性及び運転・保守経験について概括的に述べる。
鈴木 正年; 川端 祐司*; 市川 博喜
JAERI-M 92-201, 17 Pages, 1993/01
JRR-3改造炉(JRR-3M)に総延長232mにおよぶ大規模中性子導管群が設置された。2本の熱中性子導管と3本の冷中性子導管からなる中性子導管群の中性子スペクトル及び中性子束を測定した。中性子スペクトルは設計計算と良い一致をみた。また中性子束については、特性波長2の2本の熱中性子導管端末で1,210n/cm・sまた冷中性子稼働時において、特性波長4の2本の冷中性子導管端末で2.010n/cm・s、特性波長6の冷中性子導管端末では1.410n/cm・sを得た。
熊井 敏夫; 工藤 三好*; 坂本 正誠; 圷 長; 高橋 秀武
JAERI-M 89-114, 32 Pages, 1989/09
本報告は、JRR-3に設置する冷中性子源装置の最適な運転条件を検討するためにおこなった二重管式閉ループサーモサイフォンの熱流力実験について述べたものである。実験ではコンデンサ、サイフォン管、蒸発器等から成るガラス製の装置にフロン113を充填して流体の流動状況を調べ、サイフォン回路の圧力変化、熱輸送限界、蒸発の貯液量、ボイド率等を測定した。実験の結果、充填液量はサイフォン流体の脈動やドライアウトの発生に対して重要な調製要素であり、また蒸発器内の貯液量及びボイド率にも影響を与えることが分かった。これらのことから、サイフォン流体として水素を使用する冷中性子源装置の運転においても充填液量を調製することによって脈動やドライアウトのない安定な運転ができ、また蒸発器内の貯液量及びボイド率も良好な冷中性子を発生させ得る様に調整できることが明らかになった。
熊井 敏夫; 篠津 和夫*; 坂本 正誠; 高橋 秀武
JAERI-M 87-006, 19 Pages, 1987/02
本報告は、JRR-3改造炉に設置される冷中性子源装置で、核加熱等による水素系はの入熱を除去するサ-モサイフォンの熱輸送特性を把握する為に行なったサ-モサイフォン実験について述べたものである。本稿ではガラス製の実験装置を用いた、実験・観察に基づくフロン113流体の流動状況、フラッデング現象及びコンデンサにおける凝縮状況について述べた。さらにフラッデング臨界入力については、単管の場合はWallisの相関式で C=0.9とした時の値に合致している事、二重管の場合は、単管の場合より約200W大きくなることを述べた。
麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘
no journal, ,
Since January 2015, a pressure drop gradually increased between heat exchangers and an adsorber (ADS) in the helium refrigerator of the cryogenic hydrogen system every operation. To investigate the cause of the performance degradation, impurities accumulated in helium gas was measured. However, no significant amount of impurities was observed. By cleaning inside of the heat exchangers and replacing ADS with new one, the refrigerator performance could be restored. As a result of dismantling the replaced ADS, we found that oil was locally accumulated in membranous form onto the felt at the helium entrance side. This might cause the pressure drop because the frozen oil during cooling down obstructed helium flow. There are still some doubtful relation between the pressure drop and the performance degradation at the heat exchanger. We are still making effort to investigate the cause.
徳永 翔; 中村 剛実; 菊地 将宣; 野口 浩徳*; 小田 泰嗣*
no journal, ,
CNS系全体を含む高性能減速材容器の水素流動解析手法を検討するため、RELAP5/MOD3.2による容器を含む系全体の管路網解析及び概念設計で考慮されていなかった物理モデルを追加したANSYS-FLUENTによる減速材容器部CFD解析を組み合わせて評価した。計算結果の妥当性については、現在の水筒型容器における原子炉外作動試験の結果と良く一致した数土の式を用いて比較検討した。
菊地 将宣; 中村 剛実; 徳永 翔; 小田 泰嗣*
no journal, ,
基本設計を行っている減速材容器(A6061材)の構造強度については、高速中性子の照射環境下ではA6061材の伸びが減少することから、発生応力に対して弾性範囲内に収めることが重要である。概念設計からの形状変更として製作性を考慮し、容器内面に対して構造の不連続部を無くすためフィレットを設け、平板部を肉厚補強及び低応力部をテーパーで削除した容器形状を検討している。また、外側容器及び内側容器を分割溶接とし、溶接位置は最大応力から離した位置で設定する。その有効性を検証するため、最大圧力で塑性変形の有無を確認する。また、新規容器は船底型の薄肉特殊形状であることから、発電用原子力設備規格設計・建設規格(JSME)等の構造規格が適用できないため、高圧ガス保安法に準拠するよう設計を検討している。そのため、高圧ガス保安法に要求されている4倍耐圧について、これに耐えうる設計であることを確認する。
