Measurement of displacement cross section of structural materials utilized in the proton accelerator facilities with the kinematic energy above 400 MeV

明午 伸一郎; 松田 洋樹; 岩元 洋介; 吉田 誠*; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 岩元 大樹; 中本 建志*; 石田 卓*; 牧村 俊助*

EPJ Web of Conferences, 239, p.06006_1 - 06006_4, 2020/09

https://doi.org/10.1051/epjconf/202023906006

加速器駆動型核変換システム(ADS)では、加速器の真空領域と標的領域の隔壁となるビーム入射窓の開発が重要となる。ビーム窓の損傷評価には、原子当たりの弾き出し数(DPA)が用いられるが、DPAの導出に用いられる弾き出し断面積の実験データは20MeV以上のエネルギー領域の陽子に対しほとんどないため、ADSにおいて重要な0.43GeV陽子における弾き出し断面積の測定を開始した。弾き出し断面積は、損傷を維持するため極低温に冷却された試料の陽子入射に伴う抵抗率変化を陽子フルエンスとフランケル対当たりの抵抗率変化で除することにより導出できる。実験はJ-PARCセンターの3GeV陽子シンクロトロン施設で行い、試料には銅を用いた。実験で得られた断面積と一般的に弾き出し断面積の計算に使用されるNRTモデルの計算との比較の結果、NRTモデルの計算は実験を約3倍過大評価することが判明した。

Reversible elastocaloric effect at ultra-low temperatures in nanocrystalline shape memory alloys

Ahadi, A.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Ko, W.-S.*; Sun, Q. P.*; 土谷 浩一*

Acta Materialia, 165, p.109 - 117, 2019/02

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.11.035

We report emergence of an unprecedented elastocaloric effect with a decrease of temperature, well below the temperature range of martensitic phase transformation, in a model nanocrystalline NiTi that preserves slim-hysteresis superelasticity at ultra-low temperatures. The new elastocaloric effect emerges at a temperature of about 90 K, exhibits an opposite sign than the conventional elastocaloric effect, and intensifies gradually with a decrease of temperature to 18 K. At 18 K, a large adiabatic temperature change of +3.4 K is measured upon rapid release of tensile stress. The measured adiabatic temperature change are larger and extend over a wider temperature span than the existing electrocaloric, piezocaloric, and barocaloric cryo-refrigeration materials.

アラミド繊維ロッド材料の極低温引張特性評価

齊藤 徹; 大久保 暁一*; 泉 敬介*; 大川 慶直*; 小林 宣博*; 山崎 亨; 河野 勝己; 礒野 高明

低温工学, 50(8), p.400 - 408, 2015/08

https://doi.org/10.2221/jcsj.50.400

アラミド繊維強化プラスチック(AFRP)は軽量、かつ高強度の長所を有する構造材料として開発されてきた。本研究においては、室温、液体窒素温度(77K)と液体ヘリウム温度(4.2K)中における、鉄筋代替コンクリート補強材として用いられる市販品のAFRPロッドの引張強度を評価するために、張力試験を行った。これまでは極低温環境下での試験において、試験片がつかみ部ジグをすり抜ける現象か生じるため、引張試験を実施することは困難であった。そのため、AFRPロッドの滑りを防ぐために、ジグに樹脂を充填して行った。また、グリップジグを改良し、ロッドの表面処理を行い、AFRPロッドのグリップ力を高めるために極低温用エポキシ樹脂を使うことによって、適切な引張試験条件を確立させた。各温度環境下での引張強さは1100MPa以上を示し、さらに、試験温度の減少に伴いヤング率が増加する温度依存を示した。ヤング率の増加の要因はアラミド繊維がエポキシ樹脂より支配的であることを確認した。

Pressure rise analysis when hydrogen leak from a cracked pipe in the cryogenic hydrogen system in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 長谷川 勝一; 牛島 勇*; 加藤 崇; 大都 起一*; 池田 裕二郎

AIP Conference Proceedings 823, p.753 - 760, 2006/05

https://doi.org/10.1063/1.2202483

J-PARCにおける実験施設の1つとして、1MW陽子ビームによる核破砕中性子源の建設を行っている。この施設では、核破砕際反応によって発生した高速中性子を1.5MPa, 20Kの極低温水素で減速させる極低温水素循環システムの設計を進めている。本システムの異常事象として、モデレータ配管に発生した亀裂からの水素漏洩事象を生じた場合、水素を安全、かつ、迅速に放出しなければならない。そこで、水素漏洩時の水素層、及び、真空層の圧力・温度上昇を模擬できる解析コードを開発し、本システムに必要な安全装置の検討を行った。水素層には32Aの安全弁,真空層には、吹き出し口径37.1mm以上の破裂板が必要であることが解析によりわかった。

1MW陽子ビーム入射時におけるモデレータ容器内の極低温水素への熱伝達評価

達本 衡輝; 加藤 崇; 麻生 智一; 牛島 勇*; 長谷川 勝一; 大都 起一*

JAERI-Tech 2005-019, 16 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-019.pdf:1.29MB

大強度陽子加速器計画の一環として、物質・生命科学実験施設では、核破砕反応によって発生した高速中性子を極低温水素で減速させる水素循環システムの設計・製作を行っている。本実験施設では、核破砕反応で発生した熱中性子の冷中性子への減速材(モデレータ)として極低温水素(温度20K,圧力0.5から1.5MPa)が採択された。1MWの陽子ビームにより発生した中性子によるモデレータ容器内での核発熱量は3.75kWと見積もられている。極低温水素循環システムは、極低温水素を強制循環させてモデレータ容器に供給することにより、熱中性子、及び、モデレータ容器の冷却を行う。運転圧力、及び、流速条件によっては、モデレータ容器内で沸騰を起こす可能性があり、中性子性能、及び、モデレータ容器の安全性に影響を与える沸騰を防止する設計とする必要がある。このためには、モデレータ容器内の極低温水素の熱伝達を評価する必要があるが、極低温水素の熱伝達特性はほとんど解明されていないのが現状である。本報告では、極低温水素の浸漬冷却・強制冷却特性を一般に用いられている熱伝達相関式に極低温水素の物性に合わせて評価し、極低温水素循環システムの運転状態の違いによるモデレータ容器の温度特性の検討を行った。

Experimental determination of the mechanism of the tunneling diffusion of H atoms in solid hydrogen; Physical exchange versus chemical reaction

熊田 高之

Physical Review B, 68(5), p.052301_1 - 052301_4, 2003/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.052301

酸素分子の紫外線乖離により生成した固体水素中の水素原子の再結合反応に対する圧力依存性を電子スピン共鳴法を用いて調べた。4.2K以下で13MPaで再結合速度定数は全く圧力に依存しなかった。この結果は固体水素中における水素原子のトンネル拡散が物理拡散ではなくトンネル反応H+HH+H により進行していることを示す。

極低温機器用異材接合技術の開発,1; 純チタンと極低温用ステンレスのHIP接合

斎藤 滋; 大内 伸夫; 石山 新太郎; 土屋 佳則*; 中嶋 秀夫; 深谷 清*

JAERI-Tech 2002-048, 68 Pages, 2002/05

JAERI-Tech-2002-048.pdf:7.86MB

超伝導加速器や核融合炉の超伝導コイルなどの極低温機器には、目的に応じてさまざまな材料が使用されるため、複数の異材継ぎ手が必要とされる。核融合炉の超伝導コイルの場合、純チタンと極低温用ステンレスの継ぎ手が必要であるが、溶接による接合は困難である。従って、新しい接合技術の開発が必要であり、原研では熱間等方加圧(Hot Isostatic Pressing; HIP)法による接合技術の開発に着手した。HIP法は接合強度や寸法精度に優れ、立体面や大型機器の接合も可能である。本研究ではHIP法による純チタンと4種類の極低温用ステンレスの接合試験を行い、組織観察や曲げ・引張り試験等による最適HIP条件の選定を行った。さらに4K及び室温における接合強度と熱サイクル試験による接合の健全性の評価を行った。

JT-60ペレット入射装置のためのペレット切断装置の開発

平塚 一; 市毛 尚志; 木津 要; 岩橋 孝明*; 本田 正男; 加藤 敦史*

JAERI-Tech 2001-019, 39 Pages, 2001/03

JAERI-Tech-2001-019.pdf:3.55MB

JT-60Uでは、プラズマの高密度長時間維持を目的に重水素ペレット(固体燃料)を連続的に入射するペレット入射装置の開発を進めている。ペレット入射装置は、立方体のペレットを生成して直線型アウターロータに供給し、それを遠心加速方式により高速で加速するものである。ペレット入射装置の高性能化を図るために立方体のペレットを繰り返し切断できる固体燃料切断装置を開発した。固体燃料切断装置は、高真空、低温下で生成された固体重水素を立方体のペレットに切断し、加速部に装填する機能を有している。単体試験の結果、気密性110Pam/s以下、作動時間3ms以下、周期~20Hz、ストローク2.5mmの性能を満足した。この固体燃料装填装置をペレット入射装置に組み込み試験を行った結果、周波数10Hz、速度690m/s、入射時間3.5sの性能を得た。

The Pressure effect on the recombination and relaxation of hydrogen atoms in solid hydrogen

Shevtsov, V.*; 熊田 高之; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎

Chemical Physics Letters, 319(5-6), p.535 - 541, 2000/03

https://doi.org/10.1016/S0009-2614(00)00201-3

5K以上の固体水素中における粒子のトンネル拡散は固体中に熱的に生成する空孔によって引き起こされ、拡散速度は空孔の数により決定されると言われてきた。しかしながら空孔の存在を示す直接的な証拠はなかった。そこでわれわれは空孔数が圧力により定量的に制御できる点に着目し、X線照射により固体水素中に生成した水素原子の拡散に伴う再結合速度の圧力依存性をESRを用いて観測することで、再結合速度から決定される水素原子の拡散速度と空孔との関係を調べた。その結果、圧力の上昇に伴い再結合速度は減少し、22MPa下において0MPa下の約1/1000になることを見いだした。また、再結合速度の圧力依存性と空孔数のそれとが定量的に一致することから、固体水素中における水素原子の拡散が空孔を媒介して引き起こされていることを明らかにした。

Decay of H anions in solid parahydrogen via two-stage quantum tunneling diffusion process

熊田 高之; 北川 尚紀*; 森 昇治*; 熊谷 純*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Journal of Low Temperature Physics, 114(5-6), p.413 - 429, 1999/00

固体パラ水素中に生成したHアニオンは、固体水素の量子性を反映した非古典的減衰挙動を示す。本論文において、その減衰機構とそれに伴うHアニオンの量子拡散挙動を解明した。実験の結果、減衰速度が(1)Hやカチオンの濃度ではなくHDのそれに比例する、(2)添加したNeの量にも比例する、(3)3K以下では温度とともに正比例的に増加、3-5Kにおいては逆に減少、5K以上では指数関数的に増加することを新たに見いだした。これらはそれぞれ、(1)Hの減衰がカチオンとの中和やH原子への電子移行反応:H+HH+Hではなく、HDとの反応によること、(2)拡散種はHDではなくHであること、(3)3K以下、3-5Kの結果はそれぞれ、one-phonon relaxation,two-phonon assistを伴った量子拡散過程によりHが固体中を拡散していることを示している。特に3-5Kの温度依存性の逆転は、Meyerovich等が提唱するBiased Diffusionによるものであると思われる。