Development and validation of analysis code for spallation products behavior in LBE coolant system of ADS comparing with the distribution data in MEGAPIE spallation target

宮原 信哉*; 有田 裕二*; 中野 敬太; 前川 藤夫; 佐々 敏信; 大林 寛生; 武井 早憲

Nuclear Engineering and Design, 403, p.112147_1 - 112147_17, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.112147

通常運転時と事故時の両方の場合における放射線障害の安全性研究のために、加速器駆動システム(ADS)の鉛ビスマス共晶(LBE)冷却システムにおけるポロニウム210を含む核破砕生成物(SP)のインベントリと放出および輸送挙動を評価することが重要である。福井大学と日本原子力研究開発機構(JAEA)は、多様な運転状況におけるADSのLBE冷却システム内のSPの時間依存挙動を予測するコンピューター解析コードTRAIL(Transport of Radionuclides In Liquid metal systems)を開発している。LBE冷却材中の放射性SPと安定SPの両方のソースタームが入力として与えられ、放射性SPの放射性崩壊連鎖モデルがコードに実装され、SPの移動性が評価される。本論文では、最近のコード開発の進捗状況と検証結果を、MEGAPIE破砕ターゲットにおける揮発性SPの分布データと比較して示す。

Development of a miniature electromagnet probe for the measurement of local velocity in heavy liquid metals

有吉 玄; 大林 寛生; 佐々 敏信

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(9), p.1071 - 1088, 2022/09

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2030824

液体重金属中の局所流速計測において、電磁誘導を用いた計測手法は効果的手法の一つである。永久磁石を利用した流速計として、Ricou and Vives' probeやVon Weissenfluh's probeが広く知られているが、これらの流速計は液温上昇に伴う永久磁石の熱減磁により、流速感度および計測体積が低下することが問題点として挙げられる。特に、永久磁石のキュリー温度を超える温度域では流速検出不能となる。そこで本研究では、流速計が持つ温度依存性の解消を目的とし、小型電磁石を内蔵する流速計を開発した。開発された流速計の直径は6mm、長さは155mmである。流速計の基本性能は、室温環境下における矩形管内水銀流れの局所流速分布計測を通して確認され、流速感度および計測体積が評価された。計測された局所流速分布は数値計算によりその妥当性が確認された。

J-PARCにおける加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発,3; 鉛ビスマスターゲット技術

佐々 敏信

プラズマ・核融合学会誌, 98(5), p.211 - 215, 2022/05

鉛ビスマス共晶合金(LBE)が、その核的・化学的特性から、次世代原子炉の冷却材や加速器駆動システム(ADS)の核破砕ターゲットとして有望視されている。LBEは重金属であり、核破砕ターゲットとしても長寿命放射性核種の核変換システムの冷却材としても良好な特性を有している。一方、その利用の大きな課題の一つである構造材との共存性を向上するための様々な技術開発とともに、ADSによる核変換技術の早期実用化を目指して進めている、LBEの高温運転、耐腐食性確保のための酸素濃度制御など最新の研究成果を紹介する。

加速器駆動核変換システムビーム窓とLBEの核解析

中野 敬太; 岩元 大樹; 西原 健司; 明午 伸一郎; 菅原 隆徳; 岩元 洋介; 竹下 隼人*; 前川 藤夫

JAEA-Research 2021-018, 41 Pages, 2022/03

JAEA-Research-2021-018.pdf:2.93MB

加速器駆動核変換システム(ADS: Accelerator-Driven System)の構成要素の一つであるビーム窓の核特性を粒子・重イオン輸送計算コードPHITS及び誘導放射能解析コードDCHAIN-PHITSを用いて評価した。本研究では日本原子力研究開発機構が提案するADSの運転時にビーム窓内部に生成される水素やヘリウム等の量、高エネルギー粒子により引き起こされるビーム窓材の原子弾き出し数、ビーム窓内部の発熱量及び分布を導出した。また、中性子源標的及び冷却材として用いられる鉛ビスマス共晶合金(LBE)中の生成核種、発熱密度及び放射能分布を求めた。ビーム窓解析の結果、300日間のADSの運転によりビーム窓中に最大で約12500appmのH及び1800appmのHeの生成と62.1DPAの損傷が発生することが判明した。一方で、ビーム窓内の最大発熱量は374W/cmであった。LBEの解析では、BiやPoが崩壊熱及び放射能の支配的な核種であることが判明した。さらに、陽子ビームによるLBE中の発熱はビーム窓下流5cm付近が最大であり、945W/cmであることがわかった。

Uncertainty quantification of lead and bismuth sample reactivity worth at Kyoto University Critical Assembly

Pyeon, C. H.*; 山中 正朗*; 福島 昌宏

Nuclear Science and Engineering, 195(8), p.877 - 889, 2021/08

https://doi.org/10.1080/00295639.2020.1870861

KUCAで測定された鉛(Pb)及びビスマス(Bi)サンプル反応度価値における不確実性について、SCALE6.2/TSARコードを用いて解析し、アルミニウム(Al)を参照サンプルとしてBiサンプルへの置換により測定されたBiサンプル反応度価値において、Al及びBi散乱断面積の影響を数値的に明らかにした。

鉛ビスマス冷却型加速器駆動核変換システムにおける酸素消費量の評価

菅原 隆徳; 小松 篤史

JAEA-Research 2020-016, 44 Pages, 2021/01

JAEA-Research-2020-016.pdf:2.94MB

液体鉛ビスマス共晶合金(LBE)を用いた原子炉システムでは、酸素濃度を制御することにより、LBEによる鋼材腐食を防ぐ必要がある。本研究では、LBE冷却型加速器駆動核変換システム(ADS)について、そのプラントで用いられる酸素消費量の評価を行った。評価は、実験に基づく酸化被膜厚さの評価式を用い、その厚さから酸素消費量を評価した。その結果、燃料集合体の発熱部については、2サイクルの炉内滞在で、最大で約35[m]の酸化被膜が作られ、ビーム窓については、1サイクルの運転で約20[m]の酸化被膜が作られることがわかった。これらの結果から求めたサイクルあたりの酸素消費量は、燃料集合体全体とビーム窓それぞれで、25[kg]と0.3[kg]となり、プラント全体としては約30[kg]となった。最終的な結果として、JAEA-ADSでは、定格運転時3-4[g/h]、ピーク時約150[g/h]の酸素を供給でき、1サイクル(=1年間)約30[kg]、40年間で約1200[kg]を供給できる酸素供給装置が必要となる。

Visualization of phase distribution in lead-bismuth eutectic during one-dimensional solidification process

伊藤 大介*; 佐藤 博隆*; 齊藤 泰司*; Parker, J. D.*; 篠原 武尚; 甲斐 哲也

Journal of Visualization, 22(5), p.889 - 895, 2019/06

https://doi.org/10.1007/s12650-019-00572-7

Solidification process of lead-bismuth eutectic (LBE) is one of the key phenomena to prevent flow channel blockage accident in an LBE-cooled accelerator-driven system. However, the solidification of liquid metal cannot be observed optically and it is difficult to detect noninvasively. In this study, the one-dimensional solidification process of the LBE was visualized by pulsed neutron transmission imaging. Neutrons have higher transmittivity to the LBE than X-ray and neutron transmission spectrum of the LBE sample can be obtained by pulsed neutron imaging technique. The solid and liquid phases of the LBE were identified during the solidification process by the presence or absence of Bragg edge in the measured neutron transmission spectrum, and the transient behavior of the solid-liquid interface could be visualized. In addition, the characteristic spatial distribution of the crystalline structure was found in Bragg-edge transmission image after the solidification.

Thermal-hydraulic analysis of the LBE spallation target head in JAEA

Wan, T.; 大林 寛生; 佐々 敏信

Nuclear Technology, 205(1-2), p.188 - 199, 2019/01

https://doi.org/10.1080/00295450.2018.1478591

To perform basic research and development to realize future accelerator-driven systems, a lead-bismuth eutectic (LBE) alloy spallation target will be installed within the framework of the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) project, Japan Atomic Energy Agency. The target will be bombarded by high-power pulsed proton beams (250 kW, 400 MeV, 25 Hz, and 0.5 ms in pulse duration). The Beam Window (BW) of the spallation target is critical because it should survive under severe conditions that occur, i.e., high temperature, high irradiation, intense stress, and various kinds of damage. Therefore, the target vessel should be carefully designed to obtain an adequate safety margin. Our previous research indicates that there is a stagnant flow region in the LBE at the BW tip due to the symmetric configuration of the target, which causes high temperature and concentration of stress on the BW. On the basis of our previous work, three types of upgraded target head designs are studied in the current research to reduce/move the stagnant flow region from the BW tip and to increase the target safety margin. Thermal-hydraulic analyses and structural analyses for the target head designs are carried out numerically under a steady-state condition. Results illustrate that the designs can almost eliminate the stagnant flow region in the LBE. As a consequence, the concentration of thermal stress on the BW is released and greatly decreased. The safety margin of the target is improved through this study.

Flow-accelerated corrosion of type 316L stainless steel caused by turbulent lead-bismuth eutectic flow

Wan, T.; 斎藤 滋

Metals, 8(8), p.627_1 - 627_22, 2018/08

https://doi.org/10.3390/met8080627

In this study, an LBE loop referred to as JLBL-1 was used to experimentally study the behavior of 316L SS when subjected to FAC for 3000 h under non-isothermal conditions. An orifice tube specimen, consisting of a straight tube that abruptly narrows and widens at each end, was installed in the loop. The specimen temperature was 450 centigrade, and a temperature difference between the hottest and coldest legs of the loop was 100 centigrade. The oxygen concentration in the LBE was less than 10 wt.%. The Reynolds number in the test specimen was approximately 5.310. The effects of various hydrodynamic parameters on FAC behavior were studied with the assistance of computational fluid dynamics (CFD) analyses, and then a mass transfer study was performed by integrating a corrosion model into the CFD analyses. The results show that the local turbulence level affects the mass concentration distribution in the near-wall region and therefore the mass transfer coefficient across the solid/liquid interface. The corrosion depth was predicted on the basis of the mass transfer coefficient obtained in the numerical simulation and was compared with that obtained in the loop; the two results agreed well.

Electrochemical impedance analysis on solid electrolyte oxygen sensor with gas and liquid reference electrodes for liquid LBE

Adhi, P. M.*; 大久保 成彰; 小松 篤史; 近藤 正聡*; 高橋 実*

Energy Procedia, 131, p.420 - 427, 2017/12

https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.472

固体電解質のイオン伝導度が不十分であると、酸素センサの出力信号が低温側で理論値からずれると考えられるため、Ag/空気および液体Bi/Bi/BiOをそれぞれ基準電極(RE)に用いた酸素センサについて、300450Cの低温LBEにおいて電気化学インピーダンス分析(EIS)を行い、電極-電解質界面における電荷移動反応インピーダンスを調べた。その結果、いずれのセンサーも良好に動作し、300450Cで使用できることがわかった。Bi/Bi/BiO REは、Ag/空気REよりも低いインピーダンスを有する。したがって、低温領域では、Bi/Bi/BiO REを用いた酸素センサーの応答時間は、Ag/空気REの酸素センサーよりも速いことがわかった。