JRR-3冷中性子源装置の新型減速材容器に関わる熱流力設計

徳永 翔; 堀口 洋徳; 中村 剛実

JAEA-Technology 2023-001, 37 Pages, 2023/05

JAEA-Technology-2023-001.pdf:1.39MB

研究用原子炉JRR-3の冷中性子源装置(Cold Neutron Source: CNS)は、原子炉内で発生した熱中性子を減速材容器内に貯留した液体水素により減速し、エネルギーの低い冷中性子に変換する装置である。CNSから発生した冷中性子は、中性子導管を用いて実験装置に輸送され、生命科学、高分子科学、環境科学等を中心とする多くの物性研究に利用されている。中性子科学における世界の研究用原子炉との競争力を維持するためには、冷中性子強度の改善は不可欠であり、新たな知見を取り入れた新型CNSの開発を進めている。現行のJRR-3のCNSの減速材容器は、水筒型のステンレス製容器を採用しており、材質及び形状の変更により冷中性子束の強度を向上させることが可能である。そのため、新型減速材容器の基本仕様は、材質を中性子吸収断面積の小さいアルミニウム合金に変更し、さらに、モンテカルロ計算コードMCNPを用いて最適化した容器形状に変更した。これらの仕様変更に伴い、発熱や伝熱の条件に変更が生じることから、熱流力設計上の成立性を確認するため、JRR-3のCNSについて自己平衡性、熱輸送限界及び耐熱・耐圧等について改めて評価を行った。本報告書は、新型減速材容器に関わる熱流力設計上の評価を実施し、その結果を纏めたものである。

ポイズン付き冷減速材容器の熱流動解析,1; ポイズン板配置の検討

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。

JRR-3高性能冷中性子源装置の検討

熊井 敏夫; Liem, P. H.*; 堀口 洋二

JAERI-Tech 2002-023, 49 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-023.pdf:2.1MB

冷中性子束を増加するために、冷中性子源装置(CNS)の減速材容器(セル)の高効率化を検討してる。高効率化では、冷中性子束の発生に影響するセルの形状,寸法,材料等のパラメータを組み合わせたケースについて、高い冷中性子束のセルを求めるサーベイ計算をMCNPを用いて行った。また、冷中性子束の大きなセルについて製作性,設置性,運転性等も考慮して、その基本仕様を検討した。この結果、現状比約2倍の冷中性子束が得られる船底形セルのモデルを得た。このモデルでは、既存水筒形セルの液体水素厚さを50mmから25mmに、材料をステンレス鋼厚さ0.8mmからアルミニウム合金厚さ1.0mmに、冷中性子取出面形状を凸から凹に変える等の変更を行っている。今後、船底形セルのJRR-3への適用にあたっては使用条件下における核発熱・温度解析,熱流動実験等を予定している。

Prediction of flow patterns and pressure distributions in suction process of volumetric scroll pump

Kritmaitree, P.*; 秋山 光庸*; 日野 竜太郎; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*

Journal of Nuclear Science and Technology, 37(11), p.996 - 998, 2000/11

https://doi.org/10.3327/jnst.37.996

冷減速材システムの構築にあたっては、気体、気液二相流、液体と変化する水素を適切に流動させることが要件である。とくに、運転容易性を確保するには、水素の相状態にかかわらず流量制御の可能な体積型ポンプの適用が不可欠である。そこで、コンプレッサーに用いられているスクロール方式に着目し、液体ポンプとしての適用可能性を解析評価した。第一段階として、物性値の明らかな水流動条件下でスクロール形状を液体用にモデル化し、低レイノルズ数乱流モデルを適用して解析を行い、回転角度に対して滑らかな吸込み容積の変化を示すこと、ポンプ内部には入口圧力よりも100Pa程度低下する負圧領域を生じるもののキャビテーション発生までには至らないことなどを明らかにし、液体ポンプとして適用可能なことがわかった。

熱中性子減速材の固体メタン粒子及び容器内温度分布解析

麻生 智一; 石倉 修一*; 勅使河原 誠*; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 97-063, 59 Pages, 1997/12

JAERI-Tech-97-063.pdf:1.83MB

原研では、大強度陽子加速器を用いた中性子科学研究計画のもとで、設計検討、R&Dなどを進めている。中性子科学研究計画では、最初に建設する施設として核破砕ターゲットによる中性子散乱施設を予定している。この計画に従い、核破砕ターゲット開発の一環として、減速材の設計検討に着手した。本報告書は、大出力ターゲットシステムにおいてMWクラスの熱中性子減速材として有力視されている固液二相流減速材を対象にして行った予備解析結果について記述したものである。固体メタン粒子及び多重構造減速材容器の温度分布は、数式処理プログラムMATHEMATICAを用いて解析を行った。

J-PARC大強度中性子源の液体水素循環システム用ヘリウム冷凍機の性能劣化; 性能回復への手がかりと今後の計画

麻生 智一; 勅使河原 誠; 長谷川 勝一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘; 池田 裕二郎

no journal, , 

J-PARCの大強度中性子源の液体窒素循環システム用ヘリウム冷凍機で性能劣化が生じた原因調査において、新たな知見として、内部吸着器の活性炭の飛散を防止するために設置したフェルトの表面に膜状に蓄積した油が観測され、それが内部吸着器での差圧の発生の要因になることを実験的に見出した。熱交換器の洗浄及び内部吸着器の交換を行った後の運転では、総計約7ヶ月もの運転において、性能劣化に関わる圧力損失の増加は無く、安定に運転を継続可能とした。これらの機器が性能劣化の要因であることは判明したが、機器の配置関係から内部吸着器で発生した差圧が熱交換器の性能劣化を引き起こすとは考えにくく、根本的な原因究明には至っていない。更に詳細に原因を探るため、差圧分布を詳細化する差圧計の増設等を施すなど、今後の根本対策に向けた検討を進める。本件では、性能劣化に関わる原因究明の結果のまとめと今後の対策について報告する。

J-PARC大強度中性子源の液体水素循環システム用ヘリウム冷凍機の性能劣化; 性能劣化を誘発する差圧上昇に関わる要素試験

勅使河原 誠; 麻生 智一; 武藤 秀生*; 青柳 克弘*; 高田 弘; 池田 裕二郎

no journal, , 

J-PARCの大強度中性子源の液体水素循環システム用ヘリウム冷凍機で、2015年より冷却性能が低下した。原因究明の過程で、内部吸着器(ADS)内の活性炭を飛散しないよう配置したフェルト材の入口側表層に膜状の油の蓄積を確認した。本件では、フェルト材の油の蓄積が性能低下の要因と成り得るのか実験的に調べた。冷却性能の低下の要因となる差圧の発生を確認するため、油を蓄積させたフェルトに低温窒素ガスを流す試験を行った。その結果として、低温窒素ガスを流すことによって油が固化し、それが差圧を引き起こすことを確認した。

JRR-3冷中性子源装置における高性能減速材容器の概念設計,1; 核特性解析による最適形状の評価

中村 剛実; 徳永 翔; 菊地 将宣

no journal, , 

日本原子力研究開発機構の研究用原子炉JRR-3では、冷中性子源減速材容器の更新を予定しているため、冷中性子源の強度増強を目的に、減速材容器の高性能化のための概念設計を実施した。核特性解析により最適形状を決定したため、新型容器の特性について報告する。