J-PARCにおける加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発,2; J-PARC核変換実験施設

前川 藤夫; 武井 早憲

プラズマ・核融合学会誌, 98(5), p.206 - 210, 2022/05

加速器駆動核変換システム(ADS)の開発にあたっては、大強度陽子ビームに耐える材料の開発や陽子ビームで駆動される未臨界炉心の特性評価等、陽子ビームに関わる技術課題を解決する必要がある。そこで大強度陽子加速器施設J-PARCでは、実際に大強度の陽子ビームを利用した各種試験を行う核変換実験施設が検討されている。本稿では核変換実験施設の概要と今後の方向性について紹介する。

Evaluation of heat removal during the failure of the core cooling for new critical assembly

江口 悠太; 菅原 隆徳; 西原 健司; 田澤 勇次郎; 辻本 和文

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 8 Pages, 2018/07

https://doi.org/10.1115/ICONE26-82012

加速器駆動核変換システム(ADS)の基礎核特性研究のため、J-PARC計画において核変換物理実験施設(TEF-P)の建設が検討されている。本研究では、崩壊熱の大きなマイナーアクチノイド(MA)燃料を多く使用するTEF-Pにおいて、炉心冷却システムが停止した場合の自然冷却特性の評価、及びその際に炉心が損傷しない設計条件検討を行った。TEF-Pの炉心温度評価においては、炉心周辺部の空格子管領域が断熱層として大きく影響を及ぼすことから、空格子管領域の熱伝達特性を測定するモックアップ試験装置を製作して実験を行い、実験的な熱伝達率を得た。この結果を元に、TEF-P炉心の三次元伝熱解析を実施し、制限温度である327Cを下回る294Cという結果を得た。

Design of LBE spallation target for ADS Target Test Facility (TEF-T) in J-PARC

斎藤 滋; 大林 寛生; Wan, T.; 大久保 成彰; 菅原 隆徳; 遠藤 慎也; 佐々 敏信

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp '17) (Internet), p.448 - 457, 2018/05

原子力機構は、加速器駆動システム(ADS: accelerator-driven systems)の設計に必要なデータを得るために、J-PARC計画の中でADSターゲット実験施設(TEF-T: Target Test Facility)の建設を計画している。TEF-Tでは、鉛ビスマス共晶合金(LBE: Lead-Bismuth Eutectic)の核破砕ターゲットに250kWの陽子ビームを入射し、ADSの構造材候補材についてLBE流動下での照射試験を実施する。TEF-Tを実現するために、様々な研究開発が行われている。LBEターゲットとターゲット台車の設計検討は大きく進捗した。ターゲットループの保守と照射試料の照射後試験を行うホットセルについては概念設計を終えた。要素技術開発として、TEF-TターゲットのモックアップループとLBE流動下での材料腐食データを得るためのループが製作され、本格運転へ向け準備中である。LBEループのための酸素濃度制御システムも開発された。遠隔操作によるターゲット交換試験も実施中である。その他、TEF-Tの実現に向けた現在の研究開発状況についても報告する。

J-PARC核変換実験施設・ADSターゲット試験施設における鉛ビスマス漏洩事象時の影響評価

岩元 大樹; 前川 藤夫; 松田 洋樹; 明午 伸一郎

JAEA-Technology 2017-029, 39 Pages, 2018/01

JAEA-Technology-2017-029.pdf:2.68MB

J-PARC核変換実験施設のADSターゲット試験施設において、250kW出力ビーム運転時に ターゲットとして使用される鉛ビスマスが鉛ビスマス循環系から漏洩し、放射性物質が排気筒か ら外部へ放出された場合の事業所境界における公衆が受ける被ばく線量について、様々な保守的 仮定を想定しながら評価した。その結果、事業所境界における被ばく量は約660Svであり、その大部分は鉛ビスマスから核破砕生成物として発生する水銀, 希ガスおよびヨウ素による寄与であることがわかった。保守的な事象想定にもかかわらず、被ばく量の合計は一般公衆が受ける年間被ばく量よりも低い値であり、本施設が放射性物質の漏洩に対して十分な安全裕度を持つことが示された。

Study on the thermal-hydraulic of TEF-T LBE spallation target in JAEA

Wan, T.; 大林 寛生; 佐々 敏信

Proceedings of 17th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-17) (USB Flash Drive), 13 Pages, 2017/09

To realize the future Accelerator-driven systems (ADSs), an ADS Target Test Facility (TEF-T) will be constructed within the framework of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) project to carry out basic R&Ds. A LBE spallation target will be installed in the TEF-T facility and be bombarded by high power pulsed proton beams (250 kW, 400 MeV, 25 Hz, 0.5 ms in pulse duration). The beam window (BW) of the spallation target is critical because it should survive under severe conditions, i.e., high temperature, high irradiation, intense stress and various occurred damage. Therefore, the target vessel should be carefully designed to obtain enough safety margin. Our previous research indicated that there are stagnant flow region in LBE at the BW tip due to the symmetric configuration of target, which causes high temperature and stress concentration on the BW. To reduce/move the stagnant flow region from BW tip and to increase the target safety margin, on the basis of our previous work, three types of upgraded target head designs were performed steadily in the present study. The thermal-hydraulic analyses and structural analyses for the target head designs have been carried out numerically under a steady-state condition. Results illustrated that the designs can almost eliminate the stagnant flow region in LBE. As a consequence, the thermal stress concentration on BW has been released and greatly decreased. The safety margin of target has been improved through this study.

Geopolymers and their potential applications in the nuclear waste management field; A Bibliographical study

Cantarel, V.; 本岡 隆文; 山岸 功

JAEA-Review 2017-014, 36 Pages, 2017/06

JAEA-Review-2017-014.pdf:3.37MB

十分な崩壊時間の後、水の除染に使用されたゼオライトは、最終的に長期保管のために処理される。ジオポリマーは、放射性セシウムおよびストロンチウム含有廃棄物の管理にあたり有望な固定基材と考えられている。このような用途のためには、バインダー構造、その巨視的性質、廃棄物との相互作用、および廃棄物形態で生じる物理化学的現象の正確な理解が、材料の健全性および安定性を判断する上で必要である。ジオポリマーは歴史の浅いバインダーであるが、この50年間に多くの研究が行われており、その特性とその用途の理解は急速に進んでいる。本レビューでは、ジオポリマーに関する研究から、ジオポリマー複合材料、核廃棄物固化材料、照射下のジオポリマーについて、実用的な情報を収集している。取集した情報は、今後の研究と実験のためのガイダンスとして活用する。

Study on optimisation of target head design for the TEF-T LBE spallation target

Wan, T.; 大林 寛生; 佐々 敏信

NEA/CSNI/R(2017)2 (Internet), p.117 - 127, 2017/06

https://www.oecd-nea.org/science/docs/2017/nsc-r2017-2.pdf

JAEA has proposed an Accelerator Driven System (ADS) for nuclear transmutation. To realize the future ADS, the ADS Target Test Facility (TEF-T) will be constructed under the framework of J-PARC. In TEF-T, pulsed proton beams will bombard a Lead-bismuth eutectic (LBE) spallation target to produce neutrons. To design the target, the verification of target structural integrity is the primary task. For this purpose, firstly, cavitation damage caused by the negative pressure in LBE is an essential issue needs to be considered. In the present study, the possibility of cavitation damage occurrence caused by pressure waves and turbulent LBE flow was investigated for the TEF-T LBE target through the numerical simulations. Results show that the maximum expansion ratio of cavitation bubble is only 1.2 due to the pressure waves, so that severe cavitation damage will not occur due to the pressure waves; the maximum negative pressure due to the turbulent LBE flow is only -4.5 kPa on a steady-state flow condition, which is too small to drive the growth of bubbles, so neither cavitation damage will occur due to the turbulent LBE flow. Secondly, the LBE flow behavior needs to be investigated because it determines the temperature distribution on the LBE target vessel, which affects the integrity of the target vessel. The CFD analyses have been carried out to study LBE flow pattern. However, some stagnant regions exist in the LBE for the original target design. To solve this problem, the target head was modified to reduce the stagnant region effectively and efficiently. The CFD analyses results showed that the stagnant region has been effectively reduced due to the modification of target head. As a result, thermal-hydraulic and structural analyses results showed that the maximum temperature on the LBE vessel is decreased by 35 degree centigrade, and the maximum thermal stress on the BW has been decreased by approximately 31 MPa. The safety margin of target has been improved.

Collaboration between SCKCEN and JAEA for Partitioning and Transmutation through Accelerator-Driven System

ADS用いた分離変換に関するSCK・CENとJAEA間の協力のためのワーキンググループ

JAEA-Review 2017-003, 44 Pages, 2017/03

JAEA-Review-2017-003.pdf:5.35MB

本報では、ベルギー原子力研究センター(SCKCEN)と日本原子力研究開発機構における加速器駆動システム(ADS)を用いた分離変換(P&T)技術の研究開発プログラムをレビューする。また、ADSのための現行の2機関間の協力取り決めを取りまとめると共に、将来における更なる協力可能性とその実現について概要を述べる。

Evaluation of globally- & locally-distributed erosion/cavitation damage by using laser ultrasonics

Wan, T.; 大林 寛生; 佐々 敏信

可視化情報学会誌(USB Flash Drive), 36(Suppl.2), 8 Pages, 2016/10

An ADS Target Test Facility (TEF-T) will be constructed within the framework of J-PARC project. A LBE spallation target will be installed in the TEF-T, and be bombarded by high power pulsed proton beams. During the operation, the erosion/cavitation damage imposed on the target vessel might be a key factor that determines its lifetime. Therefore, an in-situ structural integrity evaluation technique for the TEF-T target is expected to be established to inspect the damage. The vibration of LBE target vessel excited by pressure waves, which caused by the heat deposition in a short time due to the pulsed proton beam injection, will be monitored remotely to establish the technique. In this study, the basic research was carried out to investigate the relationship between structural vibration and damage. Samples with global- and locally-distributed erosion/cavitation damage were remotely evaluated by using laser generator and detector of ultrasonic waves. The influences of number and depth of damage on sample to structural vibration were studied through experiments and numerical simulations. A technique, Wavelet Differential Analysis (WDA), was developed to quantitatively and clearly "visualize" the differences caused by damage in the vibration signals. The results showed that the structural vibration is very dependent on damage, and the developed technique is applicable of quantitatively indicate this dependency.

MA燃料遠隔取扱試験設備の製作及び試験結果,2; 格子管の熱通過パラメータの評価

江口 悠太; 菅原 隆徳; 西原 健司; 田澤 勇次郎; 井上 昭; 辻本 和文

JAEA-Technology 2015-052, 34 Pages, 2016/03

JAEA-Technology-2015-052.pdf:5.02MB

大強度陽子加速器施設J-PARC計画で建設が予定されている核変換物理実験施設(TEF-P: Transmutation Physics Experimental Facility)では、MAを含む崩壊熱の大きな燃料を大量に取り扱うため、炉心冷却ブロワ停止時の炉心温度上昇の評価が不可欠である。冷却ブロワ停止時の炉心温度変化は全炉心熱伝導解析によって評価されるが、燃料及びブランケット領域の外側の空格子管領域に適用されている熱通過パラメータの適用性の検証が必要である。本報告書では、空格子管内部における伝熱量の算出モデルである、鉛直等温平面の上下を断熱材で囲った密閉流体層の自由対流モデルの精度検証のため、TEF-P炉心の格子管形状を模擬した試験装置を製作し、試験装置の格子管内部を通過する一次元熱流と温度分布を測定した。これにより、実際の空格子管内部の等価熱伝導率は密閉流体層の自由対流モデルよりも大きいことが明らかになった。また、空格子管内部にアルミニウムブロックを充填することで空格子管体系よりも高い等価熱伝導率となることを確認した。本実験により、TEF-P炉心の温度評価に供することができる熱通過パラメータを実験的に取得した。