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直江 崇; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 勅使河原 誠; 羽賀 勝洋
JAEA-Technology 2023-022, 81 Pages, 2024/01
JAEA-Technology-2023-022.pdf:9.87MB
大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギーのパルス陽子ビーム入射時に、核破砕反応による中性子の発生と同時に水銀の急激な熱膨張によって、圧力波が発生する。この圧力波は、水銀中を伝ぱする過程で負圧によるキャビテーションを誘発する。水銀を充填するステンレス鋼製の水銀ターゲット容器の内壁近傍でキャビテーションが崩壊することによって、内壁表面には激しい壊食損傷が形成される。水銀ターゲット容器は、陽子ビームが入射することによって先端部分の内部発熱に起因する熱応力を低減するために、先端部を厚さ3mmの薄肉構造としている。陽子ビーム強度の増加に伴って、キャビテーションによる攻撃性は増加するため、壊食損傷がターゲット容器の疲労破壊や水銀の漏洩につながる。したがって、設計出力である1MWでの長期的な安定運転を実現するために損傷の低減化が求められている。キャビテーションによる容器壁面の壊食損傷を低減することを目的として、圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入や、ターゲット容器先端部の2重壁構造化などの対策を施している。損傷低減化策の効果の確認や、ビーム出力と壊食痕による損傷深さの相関を評価し、今後の運転条件を検討するために、使用済みのターゲット容器の先端部から試験片を切出し、損傷の観察を実施している。これまでに、内壁に形成されたキャビテーションによる損傷形態の観察と壊食痕による損傷の深さを測定することで、運転条件との相関について検討を実施し、気泡注入によって著しい損傷低減効果が発現されること、2重壁構造によって、先端部分の損傷形成がビーム出力に依存せず抑制できることを確認した。これらの成果によって、施設の設計目標である1MWの安定運転を実施可能な見通しを得た。本報では、これまでに開発、適用した実機水銀ターゲット容器内壁の損傷観察の手法、測定結果及び運転条件との相関についてこれまでに得られた成果をまとめる。
羽賀 勝洋
加速器, 18(4), p.210 - 216, 2022/01
高出力加速器を用いたパルス核破砕中性子源は、物質科学や生命科学の分野において最先端の研究を行うために適した高強度で幅の狭い良質な中性子を供給できる有用な装置である。このシステムでは、高出力加速器で作り出すkWからMWオーダーの陽子ビームを重金属の標的に入射し、標的原子核との核破砕反応により大量の中性子を生成し、この中性子を減速材や反射体で熱・冷中性子に減速し、先端的な中性子実験装置群に供給する。本稿では主にJ-PARCのパルス核破砕中性子源について、中性子ビームを生成するしくみと中性子源の構造の概要、水銀標的等の標的の工学的設計手法、パルス陽子ビームの入射により水銀中で発生する最大40MPaにも達する圧力波による標的容器の損傷を低減する方法などの技術課題とその対策について解説する。
涌井 隆; 若井 栄一; 粉川 広行; 直江 崇; 花野 耕平; 羽賀 勝洋; 高田 弘; 島田 翼*; 鹿又 研一*
JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.081002_1 - 081002_6, 2020/02
J-PARCの水銀ターゲット容器は、水銀容器と二重容器構造の保護容器(内側及び外側容器)からなる三重容器構造である。2015年の500kWビーム運転時、水銀ターゲット容器の保護容器からの微小な水漏れが2回発生した。この容器破損から得られた知見を基に、設計, 製作及び試験検査過程の改善を行った。ワイヤ放電加工を用いて、1つのステンレスブロックから切り出した一体化構造を採用することにより、水銀ターゲット容器前方の溶接線の長さは約55%まで大幅に減らすことができた。放射線透過試験や超音波探傷試験による徹底的な溶接検査を実施した。2017年の9月に水銀ターゲット容器8号機が完成し、8号機を使用したビーム運転が開始された。500kWの安定的なビーム運転が実現でき、ビーム試験時には、1MWの最大ビーム強度を経験することができた。
涌井 隆; 若井 栄一; 直江 崇; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 高田 弘; 新宅 洋平*; Li, T.*; 鹿又 研一*
超音波Techno, 30(5), p.16 - 20, 2018/10
J-PARCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(幅1.3m、長さ2.5m)は、水銀容器と二重壁構造を持つ保護容器からなる薄肉(最小厚さ3mm)の多重容器構造で、溶接組立による複雑な構造を持つので、溶接部の検査が重要である。溶接検査の精度を向上することを目的として、欠陥を有する試験片(厚さ3mm)を用いて、新たな超音波法の適用性を検討した。50MHzの探触子を用いた水浸超音波法計測では、直径約0.2mmの球状欠陥を検出できた。その大きさは、目標とする最小検出欠陥寸法(0.4mm)より十分小さい。また、フェーズドアレイ超音波法で評価した未溶接部長さは、断面観察より得られた結果(0.8
1.5mm)と良く一致した。
二川 正敏
日本原子力学会誌, 47(8), p.530 - 535, 2005/08
J-PARCや米国SNSでは水銀ターゲットを用いたパルス中性子源実験施設の運転開始に向けた建設が大詰めを迎えている。中性子源として使用される液体水銀は固体金属容器に充填される。大強度の陽子線が液体水銀ターゲット中に入射するため、液体水銀内部では急激な発熱反応に伴う熱膨張により、圧力波が生じる。この圧力波は、液体水銀中を伝播し、水銀を封じ込めている固体金属容器に衝撃荷重を負荷する。圧力波により容器構造材料に負荷される荷重は、容器構造の健全性に影響する。そこには、数ミクロンの小さなピットの観察が端緒となったピッティングというモンスターが立ちはだかった。本報では、これまでに著者が実施してきた陽子線励起圧力波に起因する構造工学的課題に関する研究開発の一端を紹介する。
粉川 広行
実験力学, 5(1), P. 64, 2005/03
日本原子力研究所東海研究所では、大強度陽子加速器施設J-PARCの開発・建設を進めている。中性子施設開発グループは、J-PARC施設の一つである物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源の開発をおもに行っている。核破砕中性子源では、加速器で加速されたパルス陽子ビームを、水銀ターゲットに入射し、核破砕反応によって発生した中性子を測定実験に供する。水銀ターゲットに関する主な課題を示す。(1)水銀中に圧力波が発生し、水銀ターゲット容器に負荷を与える。実際に水銀に陽子を入射して圧力波を発生させ、容器の変位速度を、レーザードップラー振動計を用いて計測し、その結果をもとに、応力解析の高精度化を行っている。(2)圧力波の伝播によって、水銀中にキャビテーションが発生して、容器に損傷をもたらす。水銀中で繰返しキャビテーション損傷を与える装置を製作し、キャビテーション損傷のデータを、レーザー顕微鏡を用いて取得し、容器の寿命評価手法を開発している。(3)He気泡注入機構を設置した水銀ループを製作し、キャビテーション損傷に対する微小He気泡の影響を評価し、圧力波、及びキャビテーション損傷の抑制技術を開発する計画である。これらの課題を解決しながら設計を進めている。
二川 正敏
振動技術, (10), p.22 - 26, 2004/11
電磁式衝撃圧負荷試験装置(MIMTM)は、制御装置で発生し、電力増幅器で増幅された電気信号波形を用いて、衝撃的な電磁力により衝撃圧を負荷できる装置である。本装置により、これまでに核破砕水銀ターゲットの高出力化に向けた重要課題である衝撃壊食(ピッティング)損傷の評価を行い、ターゲット容器の寿命予測に不可欠な損傷発生機構に関する知見の構築を行っている。さらに、本装置の特徴である高精度の圧力制御技術により、液体中の急激な圧力変動に伴って生じるキャビテーション現象の解明,損傷抑制技術の開発、及びキャビテーション・ピーニング等の応用技術開発への展開が期待できる。
二川 正敏; 直江 崇*; 粉川 広行; 石倉 修一*; 伊達 秀文*
材料, 53(3), p.283 - 288, 2004/03
大強度のパルス陽子線が水銀ターゲット中に入射するため、液体水銀内部では急激な発熱反応に伴う熱膨張により、圧力波が生じる。圧力波の伝播過程でキャビテーション壊食による損傷が懸念され、固体金属容器の寿命を決定する重要な因子となる。これまでに種々の材料に対してSplit-Hopkinson-Pressure-Bar(SHPB)衝撃原理に基づいた平面ひずみ波入射実験装置を用いて、固体/液体界面に衝撃圧力を負荷する実験を行い、損傷評価基礎実験を行った。これより、マイクロピット群の形成による衝撃壊食損傷の程度が、材料の硬度と明瞭な相関があることを見いだした。そこで、本報では、ターゲット容器内壁に処理可能な各種表面硬化処理により損傷の低減化を試み、その可能性について検討した。
粉川 広行; 石倉 修一*; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 神永 雅紀; 日野 竜太郎
Proceedings of ICANS-XVI, Volume 3, p.1295 - 1304, 2003/07
水銀ターゲットでは、パルス陽子ビームが水銀ターゲットに入射する際、水銀の急激な熱膨張によって圧力波が発生,伝ぱする。そのため、SUS316L製の水銀ターゲット容器には、過大な動的応力が発生し、ターゲット容器の構造健全性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、水銀ターゲット容器、特にビーム窓の構造健全性を評価するために、1MWパルス陽子ビーム入射条件下での動的応力挙動を有限要素法によって解析した。半円筒状、及び平板状ビーム窓を持つ2種類のターゲット容器を解析モデルに用い、両者の結果を比較した結果、圧力波によってビーム窓で発生する動的応力が2次応力として取り扱うことが可能であり、平板状ビーム窓を持つターゲット容器が半円筒状ビーム窓のターゲット容器よりも構造的な観点から有利であることを明らかにした。併せて、セイフティーハルの構造強度評価を行い、健全性が確保させることを明らかにした。
粉川 広行; 石倉 修一*; 二川 正敏; 日野 竜太郎
実験力学, 2(2), p.122 - 127, 2002/06
MWクラスの中性子散乱施設用水銀ターゲットでは、大強度のパルス陽子ビームが水銀に入射することにより、水銀は急激に発熱して水銀中に圧力波が発生する。圧力波がターゲット容器壁(構造体)に到達すると容器壁に大きな負荷を及ぼすとともに、構造体の変形と液体水銀の連成挙動により水銀が膨張してターゲットビーム窓の近くで負圧(引張)が発生することが解析的に示されている。負圧の発生によりキャビテーション気泡が生じ、気泡崩壊の際のマイクロジェットによりターゲットビーム窓は損傷を受ける可能性がある。そこで、衝撃荷重下での構造体と液体の変形による負圧の発生現象を把握するために、円筒容器に水を満たして衝撃実験を行い、衝撃荷重下での構造体と液体の連成挙動を調べた。試験は、円筒容器の底に模擬ビーム窓を設置し、容器上部から直接水に衝撃を与えて水中に圧力波を発生させた。その際、模擬ビーム窓の厚さ及び衝撃速度を変化させて負圧発生の挙動を調べた。その結果、模擬ビーム窓が薄く、衝撃速度が速いほど、模擬ビーム窓の変形の慣性効果が大きくなるために、模擬ビーム窓近傍で負圧が発生しやすいことを明らかにした。並行して、有限要素法による解析を行い、衝撃荷重下での液体と構造体の連成挙動のモデルを検証した。
小林 薫*; 神永 雅紀; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 麻生 智一; 日野 竜太郎
JAERI-Review 2002-010, 52 Pages, 2002/05
JAERI-Review-2002-010.pdf:3.38MB
大強度陽子加速器計画において、物質・生命科学実験施設の安全概念を構築するときの参考とするため、Oak Ridge国立研究所で設計/建設が進められているSpallation Neutron Source (SNS)の安全確保の考え方について調査を実施した。SNSは非原子炉原子力施設に分類され、システム構成や機器の安全機能は米国エネルギー省の法令により放射線安全上の規制を受ける。SNSの放射線安全では、DOE Order 420.1 (施設安全)とDOE Order 5480.23 (安全解析報告書)を遵守する必要がある。本報告では、これらの規制の概要をまとめるとともに、これら規制を理解するうえで重要な概念である「放射性物質の量によって施設を分類する指標(ハザードカテゴリー)」と「地震等の自然現象災害に対して機器等に求める安全対策の指標(Performance Category)」を概説した。加えて、SNSの予備的安全解析報告書を参考にして、放射線安全の基本的な項目であるハザードカテゴリー,主要機器等の安全上の要求条件と機能等についてまとめた。
小林 薫*; 神永 雅紀; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 麻生 智一; 勅使河原 誠; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2002-005, 118 Pages, 2002/02
JAERI-Tech-2002-005.pdf:9.71MB
核破砕水銀ターゲットシステムの放射線安全を検討するにあたり、核破砕反応で生成される核破砕生成物の化学形態を明確にしておく必要がある。大量の核破砕生成物が存在するターゲット容器内の水銀について、水銀中の核破砕生成物の化学形態を、2元状態図と核破砕生成物の生成量に基づく熱化学平衡計算に基づき推定した。その結果、水銀は、Al, As, B, Be, Bi, C, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Ir, Mo, Nb, Os, Re, Ru, Sb, Si, Ta, Tc, V, Wを元素状態で、Ag, Au, Ba, Br, Ca, Cd, Ce, Cl, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, F, Gd, Hf, Ho, I, In, K, La, Li, Lu, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, O, Pb, Pd, Pr, Pt, Rb, Rh, S, Sc, Se, Sm, Sn, Sr, Tb, Te, Ti, Tl, Tm, Y, Yb, Zn, Zrを無機水銀化合物として溶解することがわかった。一方、セイフティハル内の冷却水については、冷却水中の酸素の核破砕反応で生成するBe-7がメンテナンス時の外部被曝の主要因となる。そこで、Be-H
O系を対象とした熱化学平衡計算により冷却水中のベリリウムの化学形態を推定した。その結果、ベリリウムの冷却水中でのモル分率が10E-8以下では、陽イオン(BeOH
,BeO,Be
)の形態で冷却水中に存在することがわかった。
菊地 賢司; 佐々 敏信; 石倉 修一*; 椋木 健*; 甲斐 哲也; 大内 伸夫; 井岡 郁夫
Journal of Nuclear Materials, 296(1-3), p.34 - 42, 2001/07
被引用回数：18 パーセンタイル：76.49(Materials Science, Multidisciplinary)本報告は第4回核破砕技術WSで発表されたものをまとめたもので、大強度陽子加速器計画のもとで進行している核破砕材料研究及び計画の現状について次の項目を報告している。(1)中性子散乱施設で使用する水銀ターゲット材料のR&D、(2)加速器駆動システムによる長寿命核種の変換技術開発に狙いを定めたADSターゲット実験施設実現に向けた材料計画、(3)超伝導加速器による高エネルギー陽子輸送実現化の鍵をにぎる材料開発研究成果、(4)スイスPSIで加速器照射したターゲットベッセル材料の照射後試験計画、(5)照射損傷シミュレーションのためのイオン照射試験の現状。
菊地 賢司; 粉川 広行; 佐々 敏信
JAERI-Conf 2001-002, p.1251 - 1258, 2001/03
大強度陽子加速器計画におけるターゲット材料R&D計画の概要を述べてある。中性子散乱施設の水銀ターゲットでは、3GeV, 333
A(1MW), 25Hzの陽子入射条件で、SS316ステンレス鋼を用いて設計した結果、設計のガイドラインとして用いた条件を全て満たすことがわかった。例えば窓材の最高温度は170
Cであり、水銀による腐食は無視できる。また、加速器駆動システム(ADS)の実験施設で用いようと計画している鉛ビスマスターゲットについては、主要パラメーター600MeV, 333s(200kW)による計算で、窓材で年間5dpa程度の材料照射が可能であることがわかった。
神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 石倉 修一*; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2000-076, 70 Pages, 2001/01
JAERI-Tech-2000-076.pdf:4.01MB
原研とKEKが共同で建設計画を進めている中性子散乱施設では、大強度陽子加速器から1MWのパルス状陽子ビームを水銀ターゲットに入射させ、核破砕反応により発生した中性子を生命・物質科学等の先端分野の研究に利用する計画である。核破砕水銀ターゲットシステム設計では、ビーム窓等の破損により水銀が漏洩する場合を想定して、その場合にも十分な安全性を確保できるように漏洩時の水銀を容易に回収可能な格納容器一体型構造の概念を提案した。水銀容器の内部構造は、熱流動解析結果に基づき定めた。格納容器はヘリウム容器/重水容器の二重容器により構成し、各容器外側に設けた容器補強剤であるリブを介して各容器を接続する構造とした。本容器構造の成立性については、内圧0.8MPaを付加した静的な構造強度解析により検討した。その結果、容器に生ずる静的な応力は、各容器の表面にリブによる補強を加えることによりSUS316Lの許容応力142.5MPa以下にできる見通しを得た。
安達 潤一*; 神永 雅紀; 佐々木 忍; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2000-068, 86 Pages, 2000/11
JAERI-Tech-2000-068.pdf:4.39MB
中性子散乱施設の使用済ターゲット等は、高レベルに放射化し、かつ、高い崩壊熱を有するほか、内部に蒸発による外部汚染の可能性を有する水銀が残留しているため、遠隔で取り扱うとともに崩壊熱の冷却や水銀等の拡散防止等を考慮する必要がある。本報告書は、このような使用済ターゲット等の取り扱い・保管設備についてその設計方針・基準の策定を行うとともに設備の概念設計の結果をまとめたものである。放射線被曝防止、水銀汚染拡大防止、崩壊熱除去を考慮して設備の基本計画を立案するとともに取扱・保管フローダイヤグラムを作成した。また、主要機器である使用済みターゲットキャスク、ターゲット交換台車の基本構造について概念設計を行い、取り扱いが容易で信頼性等の高いキャスク等を提案した。さらに、設備の安全性確保の観点から放射線監視設備の基本仕様を定めた。
神永 雅紀; 佐々木 忍; 羽賀 勝洋; 麻生 智一; 木下 秀孝; 粉川 広行; 秋元 敦*; 安達 潤一*; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2000-060, 37 Pages, 2000/11
JAERI-Tech-2000-060.pdf:5.54MB
原研とKEKが共同で建設計画を進めている中性子散乱施設では、大強度陽子加速器から1MWのパルス状陽子ビームを水銀ターゲットに入射させ、核破砕反応により発生した中性子を生命・物質科学等の先端分野の研究に利用する計画である。水銀ターゲット容器は、陽子ビーム及び中性子による照射損傷等により数ヶ月間の運転ごとに交換が必要である。水銀ターゲット容器の交換では、容器が強く放射化しているため、リモートハンドリングによる取り扱いが必須となる。そこで、3次元シミュレーション解析を実施し、ターゲット容器の最適なリモートハンドリングによる交換作業手順とそれに必要な機器を定めた。本報では、リモートハンドリング機器の機能を実証するため計画した実規模ターゲットリモートハンドリング実証試験装置の仕様及び試験計画について述べる。
小林 薫*; 神永 雅紀; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 麻生 智一; 粉川 広行; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 2000-050, 43 Pages, 2000/08
JAERI-Tech-2000-050.pdf:2.36MB
水銀ターゲットシステムにおいて、重大事故であるギロチン配管破断によりターゲットトローリーメンテナンス室へ水銀が漏洩した場合のソースタームを解析し最大公衆被曝量を推定する。ソースタームとして、高い蒸気圧と放射能レベルを有する水銀、ヨウ素、臭素、希ガスを選定した。ソースタームの輸送量は水銀漏洩時の温度と蒸発率、そして放出時のフィルター効率や大気拡散率を考慮して解析した。漏洩水銀の温度変化はSTAR-CDコードで、蒸発速度は1次元強制対流条件で利用される物質伝達の相関式で推定した。安全裕度を十分に見込んだ条件における予備的な解析結果では、水銀、ヨウ素、臭素、希ガスに対する公衆被曝量の最大レベルは約6.3
10
mSvであり、1年間に自然界から受ける1mSvよりも一桁以上小さい。
羽賀 勝洋; 寺田 敦彦*; 神永 雅紀; 日野 竜太郎
日本原子力学会誌, 42(8), p.821 - 824, 2000/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nuclear Science & Technology)大強度陽子加速器を用いた次世代の中性子源として設計検討を進めている水銀ターゲットについて、陽子ビームの入射方向に対し水銀の流れが直交するクロスフロー方式ターゲット構造の有効性を確認するため、アクリル製の実規模水銀ターゲットモデルを製作して非加熱の水流動実験を行い、PIV(Particle Image Velocimetry)法で流速分布を測定した。並行して、水流動条件下での流速分布解析を行い、実験結果と比較検証した。その結果、ターゲット内の発熱密度分布に応じたクロスフロー方式の流量配分を達成できる目処を得た。また、標準K-
モデルを用いた解析で、全体的な流動パターンの特徴を再現することができた。
安達 潤一*; 佐々木 忍; 神永 雅紀; 日野 竜太郎
FAPIG, (155), p.48 - 54, 2000/07
高レベルに放射化するとともに毒性のある水銀を使用する中性子散乱施設の使用済ターゲット等を遠隔により信頼性高く安全に取り扱えることを目的として、その取扱・保管設備について基本計画の策定を行うとともに主要設備構成とその仕様、配置計画などの概念設計を行った。使用済ターゲット等取扱・保管設備は、ターゲット交換のためのターゲット交換台車、マニピュレータ等の遠隔操作機器、移送・保管時に密封収納する使用済ターゲット収納容器、使用済ターゲット等気中保管設備等から構成される。計算機シミュレーションにより逐次設計の妥当性等の確認を行いながら検討を進めた結果、安全かつ信頼性の高い設備の見通しが得られた。
