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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。
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
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。
宮原 信哉*; 大平 直也*; 有田 裕二*; 前川 藤夫; 松田 洋樹; 佐々 敏信; 明午 伸一郎
Nuclear Engineering and Design, 352, p.110192_1 - 110192_8, 2019/10
被引用回数：5 パーセンタイル：48.18(Nuclear Science & Technology)鉛ビスマス共晶(LBE)合金は加速器駆動システム(ADS)の核破砕中性子ターゲットや冷却材として用いられ、核破砕生成物として多くの元素が生成するため、その放出および輸送挙動を評価することが重要である。そこで、J-PARCのADSターゲット試験施設(TEF-T)のLBEループについて、LBE中に生成する核破砕生成物のインベントリおよび物理化学的組成について検討した。LBE内の核破砕生成物インベントリは、PHITSコードを使用して評価した。LBE中の核破砕生成物の物理化学的組成は、350C
500CのLBE運転温度及びLBE中の酸素濃度10ppb1ppmの条件下、Thermo-Calcコードを用いて計算した。計算の結果、Rb, Tl, Tc, Os, Ir, Pt, Au, Hgの8元素がすべての条件下でLBEに可溶であり、化合物は形成されなかった。Ce, Sr, Zr及びYの酸化物はLBE中でCeO
, SrO, ZrOおよびYO
として安定であることが示唆された。
Wan, T.; 大林 寛生; 佐々 敏信
Nuclear Technology, 205(1-2), p.188 - 199, 2019/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nuclear Science & Technology)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.
高田 弘; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 麻生 智一; 明午 伸一郎; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 大井 元貴; 原田 正英; et al.
Quantum Beam Science (Internet), 1(2), p.8_1 - 8_26, 2017/09
大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設では、パルス核破砕中性子源から高強度かつ狭いバルス幅の中性子を供給し、多様な中性子科学研究の推進に役立てている。この核破砕中性子源の構成機器は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、強度1MWという世界最高クラスの強度の陽子ビームで駆動されルことを前提に設計されており、水銀ターゲットと3種類の液体パラ水素モデレータがその中枢の機器である。目標とする1MWの陽子ビームによる運転に向けて、まだ途上段階にあるが、本報告では、この核破砕中性子源のターゲット・モデレータ・反射体システムの特色ある性能について解説する。
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。
岩元 大樹; 西原 健司; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 松田 規宏; 佐藤 達彦; 原田 正英; 前川 藤夫
Journal of Nuclear Science and Technology, 53(10), p.1585 - 1594, 2016/10
被引用回数：18 パーセンタイル：85.45(Nuclear Science & Technology)The impact of different spallation models and parametrisations of nucleon-nucleus interactions in PHITS on nuclear characteristics of an accelerator-driven system (ADS) is investigated. Cut-off neutrons below 20 MeV calculated by a current default option of the spallation model (i.e., Li
ge Intranuclear Cascade (INC) model version 4.6, INCL4.6) are found to be 14% less than those by the old spallation model (it i.e. Bertini INC model). This decrease increases the proton beam current that drives the 800-MW thermal power, and impacts various ADS parameters, including material damage, nuclear heating of the proton beam window (PBW), and the inventory of spallation products. To validate these options based on the ADS neutronics design, we conduct benchmark calculations of the total and nonelastic cross sections, thick target neutron yields, and activation reaction rate distributions. The results suggest that Pearlstein-Niita systematics, which is a default option of the nucleon-nucleus interaction parametrisation, would be best option and that the Bertini INC is better suited for cut-off neutrons than INCL4.6. However, because of the difficulty in making a definite conclusion on the spallation models, we conclude that relatively large uncertainty in the cut-off neutrons, which is the difference between the two spallation models (i.e. 14%), should be considered.
佐々 敏信; 武井 早憲; 斎藤 滋; 大林 寛生; 西原 健司; 菅原 隆徳; 岩元 大樹; 山口 和司; 辻本 和文; 大井川 宏之
NEA/CSNI/R(2015)2 (Internet), p.85 - 91, 2015/06
福島第一原子力発電所の事故以降、核変換技術が放射性廃棄物処理に有効な技術として注目されている。日本原子力研究開発機構(JAEA)では、マイナーアクチノイド(MA)の核変換を行うための、鉛ビスマス(Pb-Bi)を核破砕ターゲット及び冷却材に使用する加速器駆動システム(ADS)を提案している。ADSの設計に不可欠なデータを取得するため、原子力機構ではJ-PARC計画の中で核変換実験施設(TEF)の建設を検討している。TEFは400MeV-250kWのPb-Bi核破砕ターゲットを持つADSターゲット試験施設(TEF-T)及び低出力の陽子ビームでMA燃料を装荷した炉心を駆動する核変換物理実験施設(TEF-P)から構成する。TEF-Tでの主な研究項目として、ADS構造材候補の照射試験、Pb-Biターゲットの運転試験及び陽子ビーム窓の寿命を決めるための実験を実施する。ターゲットが定格出力で運転される際には、ターゲット周辺に高速中性子場が形成されるため、これを多目的に利用することも検討している。基礎物理研究や核データ測定などの実験が提案されており、実験ホールの配置概念の検討を進めている。報告では、ADS核変換を実現するためのロードマップとともに、TEF建設のための設計研究活動を報告する。
大井川 宏之; 佐々 敏信; 菊地 賢司; 西原 健司; 倉田 有司; 梅野 誠*; 辻本 和文; 斎藤 滋; 二川 正敏; 水本 元治; et al.
Proceedings of 4th International Workshop on the Utilisation and Reliability of High Power Proton Accelerators, p.507 - 517, 2005/11
J-PARC施設の一つとして、原研は核変換実験施設(TEF)の建設を計画している。TEFは、核変換物理実験施設(TEF-P)とADSターゲット試験施設(TEF-T)で構成される。TEF-Pは、600MeV, 10Wの陽子ビームを入射できる臨界実験施設である。TEF-Tは、600MeV, 200kWの陽子ビームを用いる材料照射施設で、鉛ビスマスターゲットを設置するが、核燃料を使った中性子増倍は行わない。本報告では、実験施設の目的,概念設計の現状,想定する実験項目を示す。
大井川 宏之; 辻本 和文; 菊地 賢司; 倉田 有司; 佐々 敏信; 梅野 誠*; 西原 健司; 斎藤 滋; 水本 元治; 高野 秀機*; et al.
Proceedings of 4th International Workshop on the Utilisation and Reliability of High Power Proton Accelerators, p.325 - 334, 2005/11
原研は、マイナーアクチニド(MA)の効果的な核変換を目的とした加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発を進めている。原研が提案するADSは、熱出力800MWの鉛ビスマス冷却タンク型未臨界炉でMAとプルトニウムを混合した窒化物燃料を装荷する。鉛ビスマスは入射陽子ビームによる核破砕反応で中性子を発生させるターゲットとしても使用される。本研究では、ビーム窓周辺の設計に焦点を絞ったADSの成立性について検討した。ホットスポット燃料ピンの冷却性確保のために、ターゲット領域とダクトレス燃料集合体の間に隔壁を設けた設計とした。また、ビーム窓の冷却を効果的に行うように、流調ノズルを設けた。熱流動解析の結果、最大ビーム出力30MW時においても、ビーム窓の外表面最高温度を摂氏500度以下に抑制できることがわかった。外圧とビーム窓内の温度分布の結果生じる応力も、許容制限値以下となった。
C and 550C倉田 有司; 二川 正敏; 斎藤 滋
JAERI-Research 2005-002, 37 Pages, 2005/02
JAERI-Research-2005-002.pdf:20.04MB
加速器駆動核変換システムの核破砕ターゲット及び冷却材として用いられる液体鉛ビスマス中の腐食挙動に及ぼす温度及び合金元素の影響を明らかにするため、450C及び550Cの酸素飽和した液体鉛ビスマス中で、種々のオーステナイト及びフェライト/マルテンサイト鋼について、3000hの静的腐食試験を実施した。腐食深さを、内部酸化を含む酸化膜の厚さ,結晶粒界腐食深さ,形成したフェライト層の厚さの和と定義した。450Cでの腐食深さは、フェライト/マルテンサイト鋼,オーステナイト鋼にかかわらず、鋼材中Cr量の増加とともに減少する。450Cでは3つのオーステナイト鋼で、Ni及びCrの明らかな溶解は起こらなかった。フェライト/マルテンサイト鋼の腐食深さは、550CでもCr量の増加とともに減少する。JPCA及び316ステンレス鋼のオーステナイト系ステンレス鋼の腐食深さは、550CでのNiの溶解に起因するフェライト化によって、フェライト/マルテンサイト鋼より大きくなる。約5%のSiを含むオーステナイト系ステンレス鋼は、保護的なSi酸化膜が形成し、Ni及びCrの溶解を防ぐため、550Cで優れた耐食性を示す。
大井川 宏之; 辻本 和文; 菊地 賢司; 倉田 有司; 佐々 敏信; 梅野 誠*; 斎藤 滋; 西原 健司; 水本 元治; 高野 秀機*; et al.
EUR-21227 (CD-ROM), p.483 - 493, 2005/00
原研では加速器駆動未臨界システム(ADS)を用いた核変換専用システムの研究開発を進めており、これまでに熱出力800MWの未臨界炉を提案してきた。ADSの成立性を検証することを目的に、原研ではシステムの概念設計を含めた多くの研究開発活動が進行中であるか計画中である。陽子加速器の分野では、超伝導LINACが開発されている。鉛ビスマス共晶合金(LBE)を用いた核破砕ターゲットに関しては、材料腐食,熱流動,ポロニウム挙動,材料照射損傷に関する研究が進捗中である。さらに、原研では、J-PARCプロジェクトの一環として、陽子ビームと核燃料を用いてADSの成立性を検証すること及びLBEを用いた核破砕ターゲットと関連する材料に関する技術を確立することを目的とした核変換実験施設の建設を計画している。
倉田 有司; 二川 正敏; 斎藤 滋
Journal of Nuclear Materials, 335(3), p.501 - 507, 2004/12
被引用回数：32 パーセンタイル：85.88(Materials Science, Multidisciplinary)450C及び550Cの酸素飽和した液体鉛ビスマス中で、Al表面処理を行った種々のレベルのCrを含む鋼について、3000時間の腐食試験を実施した。Al表面処理法として、ガス拡散法及び溶融Al浸漬法の2種類を採用した。ガス拡散法によって作られたAlO, FeAl及びAlCrは液体鉛ビスマスに対して耐食性を示したが、溶融Al浸漬法によって作られた表面層では著しい腐食が起こった。溶融Al浸漬法によって作られたFe
Al
及びFeAl
は550Cの腐食試験中に消失し、FeAlだけが残存した。
二川 正敏; 直江 崇*; 粉川 広行; 池田 裕二郎
Journal of Nuclear Science and Technology, 41(11), p.1059 - 1064, 2004/11
被引用回数：12 パーセンタイル：61.44(Nuclear Science & Technology)高出力核破砕中性子源の開発が世界で行われている。我が国では、革新的な科学研究の推進を目的としたJ-PARCの物質生命科学研究施設に、核破砕中性子源として水銀ターゲットが設置される。水銀を内包するターゲット容器はパルス陽子線入射時に衝撃的圧力変動を受ける。この圧力変動により生じるキャビテーションは、局所衝撃壊食をターゲット容器に付加する。この衝撃壊食は、ターゲット容器の寿命を支配する因子となる。これまでに、陽子線入射励起圧力波を再現できる電磁力衝撃圧負荷試験機を開発し、衝撃壊食の成長挙動を評価した。ここでは、局所衝撃エネルギに関連する音響振動を計測し、損傷形態と比較した。その結果、音響振動は、損傷の程度を推測する有効な情報を与えうることが明らかになり、音響振動によりターゲット容器構造健全性を診断できる可能性を示した。
倉田 有司; 二川 正敏
Journal of Nuclear Materials, 325(2-3), p.217 - 222, 2004/09
被引用回数：37 パーセンタイル：89.62(Materials Science, Multidisciplinary)酸素飽和した液体鉛ビスマス中で3000hの腐食試験を行うことにより、Si量の異なる3種類のオーステナイト鋼の腐食特性を調べた。450Cのこの条件では、3種のオーステナイト鋼とも、明らかなNi及びCrの溶出は示さなかった。550CではSi量の低いJPCA及び316ssはNi及びCrの溶出した厚いフェライト相が形成した。これに対し、18Cr-20Ni-5Si鋼では、Siと酸素からなる保護酸化膜が形成し、Ni及びCrの溶出を防いだ。Si添加したオーステナイト鋼は液体鉛ビスマス中で優れた耐食性を示すことを明らかにした。
木下 秀孝; 羽賀 勝洋; 神永 雅紀; 日野 竜太郎
Journal of Nuclear Science and Technology, 41(3), p.376 - 384, 2004/03
被引用回数：3 パーセンタイル：23.51(Nuclear Science & Technology)J-PARC計画の下で建設を進めている核破砕中性子源において、核破砕水銀ターゲットに水銀を安定供給する循環システムの設計開発は不可欠である。このため、循環ポンプの性能試験が必要であり、また、配管のエロージョン量や配管内に残る水銀量を明らかにすることは配管の寿命評価やシステムのメンテナンスシナリオを確立するうえで重要事項となる。そこで、水銀流動基礎実験装置を用いてポンプ試験,エロージョン試験及び水銀残留量評価を、実機と同形式のギアポンプを使用して行った。その結果、実験用ギアポンプの吐出量等については実機を実現するうえで十分な性能を示しており、また、回転数と流量の関係は比例的な関係を示した。エロージョンについては非常にその量も小さく、実機配管で30年間の運転に対して安全側に評価した場合に、減肉量として660
mという値を得た。残留水銀量については50.7g/m
という結果を得た。
羽賀 勝洋; 神永 雅紀; 木下 秀孝; 粉川 広行; 佐藤 博; 石倉 修一*; 鳥井 義勝; 日野 竜太郎
Proceedings of 12th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-12) (CD-ROM), 8 Pages, 2004/00
J-PARCプロジェクトの物質・生命科学実験施設では核破砕中性子源として水銀ターゲットシステムが設置される。一旦、システムの運転が始まれば、水銀及びその周辺機器は高度に放射化されるためターゲット容器や周辺機器の保守・交換作業は全て遠隔操作で行わなければならない。このような要求に対処するため、われわれは水銀ターゲット容器及び水銀循環設備をターゲット台車と呼ぶ輸送台上に設置する構造とした。これにより、陽子ビーム照射運転中は水銀ターゲット容器と水銀循環設備一体でターゲットシステム中心に挿入し、また、ビーム停止の保守作業時には保守作業室に設備一式を引き出して、ホットセル内に設置してある各種マニピュレータ類を用い、設備機器の保守・交換作業を行うことができる。本報告では1MW核破砕中性子源設備の内、水銀ターゲット容器,水銀循環設備、及びターゲット台車を含む設備機器について現状の設計を紹介する。
大井川 宏之
原子核研究, 47(6), p.39 - 52, 2003/03
マイナーアクチニド(MA)及び長寿命核分裂生成物(LLFP)は、核燃料サイクルで生じる高レベル放射性廃棄物中にあって長期にわたって毒性を保ち続ける。これらの核種を短寿命又は安定な核種に変換することを目的に、加速器駆動核変換システム(ADS)が提案され、開発されている。本稿では、ADSに関する研究開発の現状,解決すべき技術課題,大強度陽子加速器プロジェクト(J-PARC)における実験計画及び世界各国における取り組みについて解説したものである。
麻生 智一; 神永 雅紀; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 高橋 才雄*; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2002-096, 76 Pages, 2002/12
日本原子力研究所と高エネルギー加速器研究機構が共同して開発を進めているメガワット規模の核破砕ターゲットシステムでは、ターゲットで発生した中性子は液体水素減速材を用いて適切なエネルギーレベルに選別される。このとき、液体水素は温度上昇を抑制するために強制循環される。液体水素減速材の運転では、加速器ビームのトリップや冷減速材システムにおける異常時に、液体水素循環系を確実に制御あるいは安全に停止させる安全保護システムを確立することが必須である。そこで、システム設計及び安全評価のための技術データの取得を目的に、液体水素の代わりに液体窒素(最高1.5MPa,最低77K)を用いた冷減速材システム試験装置を設計・製作した。この試験装置を用い、システム動特性を明らかにするため極低温システムの運転制御性実験を行った。本報は冷減速材システム試験装置の運転実験を行った結果と実機液体水素ループの構築のための技術的な課題についてまとめたものである。
大井川 宏之; 佐々 敏信; 高野 秀機; 辻本 和文; 西原 健司; 菊地 賢司; 倉田 有司; 斎藤 滋; 二川 正敏; 梅野 誠*; et al.
Proceedings of 13th Pacific Basin Nuclear Conference (PBNC 2002) (CD-ROM), 8 Pages, 2002/10
原子力利用で発生する長寿命放射性廃棄物を処分する際の負荷軽減を目的に、原研では、マイナーアクチニドを効率よく核変換できる加速器駆動システム(ADS)の研究開発を進めている。ADSの設計として、熱出力800MWの鉛ビスマス冷却・マイナーアクチニド窒化物燃料未臨界炉心を、出力30MW程度の超伝導線形加速器と鉛ビスマス核破砕ターゲットによる中性子源で駆動するシステムを提案する。ADSの実用化を目指して、加速器,核破砕ターゲット,窒化物燃料の各分野で多くの研究開発を進めている。また、ADSの物理的・工学的側面からの成立性を研究するための新たな実験施設である核変換実験施設を大強度陽子加速器プロジェクトの一環として建設する計画である。
