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佐藤 博; 麻生 智一; 粉川 広行; 勅使河原 誠; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2004-018, 23 Pages, 2004/03
JAERI-Tech-2004-018.pdf:2.42MB
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で建設を進めているMW級核破砕中性子源において、液体水素を用いる冷減速材は中性子強度やパルス特性などの中性子性能を規定する重要な機器である。減速材容器内の水素温度上昇は、中性子特性を敏感に変化させるため、ホットスポットの原因となる容器内の再循環流域や流れの停滞域の抑制が重要な設計要件となる。設置される3台の冷減速材のうちポイズン付き冷減速材は、容器内にポイズン板を置くため最も停滞域を生じやすい。そこで、基本となる容器内構造を提案し、汎用3次元熱流体解析コードSTAR-CDを用いて熱流動解析を行った。その結果、容器底部において、ポイズン板との間に5mm程度の隙間を設けることで再循環流域や流れの停滞域を抑制して、局所的な温度上昇を設計要求値以下に抑えられることを確認した。
粉川 広行; 石倉 修一*; 日野 竜太郎; 加藤 崇; 麻生 智一; 佐藤 博; 原田 正英; 甲斐 哲也; 勅使河原 誠; 前川 藤夫; et al.
Proceedings of ICANS-XVI, Volume 2, p.635 - 644, 2003/07
中性子性能を決定する冷減速材は、核破砕中性子源における重要な機器である。JSNS核破砕中性子源では、3種類の液体水素減速材を設置する。液体水素は温度20Kで高圧に加圧された循環系となる。このため、減速材容器は設計圧力2.0MPaとした。そのため容器の構造設計が重要である。一方、中性子性能の観点から、減速材容器は、容器での中性子吸収を減少させるために薄肉にする必要がある。そのため、容器材料をアルミニウム合金 A6061-T6として、モデレータ容器の合理的な厚さを検討した。結果として、 非結合型減速材容器の中性子引出面の厚さは5ミリメートルになり、結合型減速材の中性子引出面は4ミリメートルとなった。また、これらの容器を製作するための溶接線の位置を検討し、溶接可能な位置を明らかにした。
佐藤 博; 麻生 智一; 粉川 広行; 日野 竜太郎
日本機械学会関東支部茨城講演会(2003)講演論文集(No.030-3), p.47 - 48, 2003/00
大強度陽子加速器計画(J-PARC)ではMW級核破砕中性子源用に液体水素を用いた冷減速材を採用している。冷減速材は中性子場による高い核発熱条件下にあるため効率的な冷却が必要である。そこで、減速材容器内に衝突噴流を用いることで効率的な冷却を行うことを基本設計方針とした。これまでの研究で高Re型k-
2方程式モデルによる設計解析が妥当であることが示されてきた。しかしながら、高Re型k-2方程式モデルは壁関数を壁面条件とするため、設計解析の高度化に対応できないことが予想される。そこで、減速材容器内を模擬した可視化実験を解析対象に、線形及び非線形の低Re型k-2方程式モデルを用いて数値解析を行った。その結果、両乱流モデルとも全体的な流れ場の状況は実験をよく再現できることを確認した。また、乱流エネルギー分布は両乱流モデルの結果に大きな違いがみられた。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎
日本原子力学会誌, 43(11), p.1149 - 1158, 2001/11
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nuclear Science & Technology)原研で開発を進めているMW規模の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性能に直接影響する重要な機器である。特に冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、冷減速材容器の設計ではホットスポットの発生要因となる再循環流や停滞流の発生などを抑制して円滑な流動を実現する必要がある。そこで、冷減速材容器の概念設計に反映するため、冷減速材容器を模擬した扁平モデル試験体を用いて、容器内の流動パターンをPIVシステムにより水流動条件下で測定した。その結果、衝突噴流に随伴する再循環流や流れの停滞流などの流動パターンを明らかにし、併行して実施した流動解析は測定した流動パターンをよく再現した。この結果をもとに実機用冷減速材容器内の熱流動解析を行い、2MW運転時において液体水素の温度上昇を3K以内に抑制できることを確認した。
麻生 智一; 寺田 敦彦*; 神永 雅紀; 日野 竜太郎
可視化情報学会誌, 21(Suppl.2), p.119 - 122, 2001/09
原研とKEKが共同で進めている大強度陽子加速器計画において中枢となる中性子散乱実験施設では、中性子源である核破砕ターゲットシステムに設置する冷減速材は中性子性能を左右する極めて重要な機器である。冷減速材の工学設計では、液体水素を用いた減速材システムの重要課題である温度上昇の抑制を実現するために、容器内の温度分布を精度良く予測することが不可欠である。そこで、減速材の扁平構造モデル及び円筒構造モデルを用いて、入口管からの衝突噴流に注目した可視化実験及び熱伝達率測定を実施した。併せて、各種の乱流モデルを用いた解析を行い、円筒構造モデルについては、3次の非線形モデルによる解析が乱流エネルギー分布及び熱伝達率ともにある程度再現することを確認した。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎
可視化情報学会誌, 20(Suppl.2), p.175 - 178, 2000/10
原研で進めているMW規模の核破砕ターゲットシステムにおいて、減速材は中性子性能を左右する重要な機器である。特に、超臨界水素を用いる冷減速材は世界最高の中性子性能を目指しており、この性能に影響を及ぼす局所的な水素温度の上昇を抑制する必要がある。STAR-CDコードによる温度分布解析結果から、容器中央部の入口管周りの流れの停滞域で局所的な温度上昇が発生することがわかった。この温度上昇の原因となる流れの停滞域を抑制するため、入口管からの吹き出し流の効果を可視化情報で確認した。実験は、冷減速材容器を実寸大で模擬したアクリル製試験体使用して水流動条件下で実施した。流動パターンをPIVシステムで測定し、解析結果と比較した。実験及び解析結果から、吹き出し流によって再循環流領域を大幅に縮小できることがわかり、流れの停滞域を抑制できる見通しを得た。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2000-018, p.49 - 0, 2000/03
JAERI-Tech-2000-018.pdf:3.24MB
原研で開発を進めているMW規模の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に直接影響する重要な機器である。特に冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、設計ではホットスポットの発生要因となる再循環流や停滞流の発生などを抑制して円滑な流動を実現する必要がある。冷減速材容器の概念設計に反映するため、容器を模擬した扁平モデル試験体を用いて、容器内の流動パターンを水流動条件下で測定した。その結果、衝突噴流に随伴する再循環流や流れの停滞域などの流動パターンを明らかにし、併行して実施したSTAR-CDコードによる流動解析は測定した流動パターンをよく再現した。この結果をもとに実機用冷減速材の熱流動解析を行い、液体水素の温度上昇を3K以内に抑制できることを確認した。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 石倉 修一*; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2000-011, p.23 - 0, 2000/02
JAERI-Tech-2000-011.pdf:1.79MB
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。冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、冷減速材容器の設計では再循環流や停滞流の発生などホットスポットの発生要因を抑制して円滑な流動を実現する必要がある。また、1.5MPa,20Kの超臨界水素条件の下で減速材容器の構造強度を維持する必要がある。冷減速材容器の簡易モデル試験体を用いて、入口噴流管による衝突噴流とその随伴流の流動パターンを水流動条件下で測定した結果、STAR-CDコードによる流動解析結果の流動パターンとよく一致した。また、冷減速材容器の薄肉構造における技術的な課題を明らかにするため、予備的な構造強度解析を行った結果、容器には112MPaの最大応力が生じることがわかった。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 99-049, 45 Pages, 1999/06
原研で開発中のMW規模の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性能に直接影響する重要な機器である。冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、再循環流や停滞流などホットスポットの発生要因を抑制して円滑な流動を実現する必要がある。冷減速材容器の概念設計に反映するため、簡易モデル試験体を用いて入口噴流管による衝突噴流とその随伴流の流動パターンを水流動条件下で測定した。入口噴流管の位置が底面より10mm以上で噴流速度が1m/s以上では再循環流領域の高さは約50mmであり、STAR-CDによる流動解析結果はこの流動パターンをよく再現した。この結果をもとに実機用冷減速材容器内の予備的な熱流動解析を行い、水素の局所的な温度上昇を3K以内に抑制するための流動条件を明らかにした。
麻生 智一; 石倉 修一*; 寺田 敦彦*; 勅使河原 誠; 渡辺 昇; 日野 竜太郎
Proceedings of 7th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-7) (CD-ROM), 10 Pages, 1999/04
中性子科学研究計画では、5MW陽子ビームとターゲットとの核破砕反応で発生した大強度中性子を実験に応じたエネルギーレベルに減速する高効率の減速材の開発が極めて重要である。特に、超臨界水素を用いる冷減速材容器は、扁平、薄肉構造とし、1.5MPa,20Kの条件に耐え、かつ、水素温度の上昇を3K以内に抑制する必要がある。構造強度解析から容器には112MPaの応力が発生し、流動実験及び解析から水素温度を局所的に上昇させる再循環流の発生が顕著なことを確認した。これらの結果を踏まえて、微小フレーム構造等で強度を確保し、旋回流や吹出し流で再循環流の発生を抑制する冷減速材容器構造を提案した。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 99-014, 113 Pages, 1999/03
ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いた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影響する重要な機器である。特に減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響を与えるため、減速材容器の設計では再循環流や停滞流の発生を抑制して水素をスムーズに流動させる必要がある。そこで、減速材容器の概念設計に反映させるため、減速材容器を模擬した試験体を用いて、減速材入口管からの衝突噴流による流動状況を明らかにするために水による予備的な流動実験を行った。実験の結果、衝突噴流によって大きな再循環流が発生していることが確認でき、STAR-CDコードによる流動解析結果とよく一致した。これらの結果をもとに、減速材容器構造の概念設計をさらに推進させ最適な容器構造を明らかにするために、今後の熱流動実験計画を立案した。
麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎
可視化情報学会誌, 19(Suppl.2), p.127 - 130, 1999/00
原研で開発を進めている5MW規模の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構成要素である。特に冷減速材容器内における核発熱による水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、冷減速材容器の設計ではホットスポットの発生要因となる再循環流や停滞流を抑制して円滑な流動を実現する必要がある。そこで、冷減速材容器内の流動で重要な入口噴流管による衝突噴流とその随伴流の流動パターンを把握するため、減速材容器を模擬した扁平モデル試験体を製作してPIVにより水流動条件下で容器内の流動状況を明らかにした。また、並行してSTAR-CDコードによる流動解析を行い比較検討した。講演ではこれら実験結果及び解析結果について報告する。
日野 竜太郎; 神永 雅紀; 麻生 智一; 粉川 広行; 石倉 修一*; 須々木 晃*; 寺田 敦彦; 木下 秀孝; 羽賀 勝洋
Proc. of 14th Meeting of the Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-14), 1, p.252 - 268, 1998/00
中性子科学研究計画では中性子散乱研究施設を最初に建設する予定であり、その中核となる5MW規模の核破砕ターゲットシステムの開発を進めている。本報告では、重金属板にリブを設置して除熱性能を高めた固体ターゲット構造、ホットスポットの発生防止などに効果的なクロスフロー及び反転流方式の水銀ターゲット構造、MW運転用の薄肉・扁平した冷減速材構造の概念を提示した。これらの構造の熱機械的な成立性を検証するために、リブによる伝熱促進効果、最高15L/minの水銀流動特性、冷減速材容器内の水による流動パターン測定などの実験と圧力波を含む熱流動・構造強度解析を実施し、その評価結果を述べるとともに、構造実現のための課題を示した。
麻生 智一; 石倉 修一*; 寺田 敦彦; 甲斐 哲也; 勅使河原 誠*; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 渡辺 昇*
Proc. of 14th Meeting of the Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-14), 2, p.804 - 822, 1998/00
中性子科学研究計画では、5MW陽子ビームとターゲットとの核破砕反応で発生した大強度中性子をエネルギーレベルに応じて選別する高効率減速材の開発が極めて重要である。特に、超臨界水素を用いる冷減速材は、扁平、薄肉化しつつ、1.5MPa、20Kの条件に耐え、かつ、水素温度の上昇を3K以内に抑制する必要がある。構造強度解析から容器には110MPaの応力が発生し、流動実験及び解析から水素温度の局所的に上昇させる再循環流の発生が顕著なことを確認した。これらの成果を踏まえて、旋回流や噴出し流で再循環流の発生を抑制し、新しいアルミ合金を採用しつつ微小フレーム構造で強度を確保する冷減速材構造を提案した。
