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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。
麻生 智一; 佐藤 博; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 門出 政則*
可視化情報学会誌, 23(Suppl.2), p.13 - 16, 2003/10
J-PARCのMW級核破砕中性子源(JSNS)では、水素(液体又は超臨界)をモデレータ材料として用いる。水素モデレータは過酷な中性子場による核発熱条件下にあり、減速材容器の効率的な冷却が要求される。そこで、水素密度が大きく変化しないように衝突噴流による容器冷却を採用した。減速材容器は約1.5Lの円筒容器である。この小さい空間内における衝突噴流挙動を把握するためにPIVを用いて水による可視化実験を行った(噴流レイノルズ数Re
10000)。また、衝突噴流部の熱伝達特性を実験的に求めるために、これまで用いた限界熱流束実験を参考にした板状ヒータを、減速材容器底面全体を伝熱体とした試験体に改良し、実現象に近づけて熱ロスを抑えた測定を実施した。流動解析結果は流れ場の状況をよく再現したが、熱伝達率については実験と解析結果で差が生じた。乱流モデルや壁関数が要因と推定される。
麻生 智一; 佐藤 博; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 門出 政則*
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.45 - 46, 2003/09
J-PARCのMW級核破砕中性子源(JSNS)では、水素(液体又は超臨界)をモデレータ材料として用いる。水素モデレータは、過酷な中性子場による核発熱条件下にあり、減速材容器の効率的な冷却が要求される。そこで、水素密度が大きく変化しないように衝突噴流による容器冷却を採用した。減速材容器は約1.5Lの円筒形である。まず、小さい空間内における衝突噴流挙動を把握するためにPIVを用いて水による可視化実験を行った。併せて、衝突噴流部の熱伝達特性を実験的に求めた。噴流管高さと内径の比が1.0では、流動解析結果は流れ場の状況及び熱伝達率をよく再現した。
熊井 敏夫; Liem, P. H.*; 堀口 洋二
JAERI-Tech 2002-023, 49 Pages, 2002/03
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。
盛合 敦; 粉川 広行; 山本 和喜; 神永 雅紀; 皆川 宣明; 堀口 洋二
日本材料学会第37回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.35 - 37, 2001/00
原研と高エネルギー加速器研究機構が共同で推し進めている大強度陽子加速器建設計画(統合計画)の、中性子散乱実験施設に設置される中性子減速材容器の残留応力について測定した。本容器は、アルミニウム合金から機械加工によって部品ごとに削出し成形し、溶接によって接合されている。溶接付近の母材は、製造段階のこのような加工や溶接入熱によって導入される残留応力により、材質の機械的変化が著しく劣化することがある。そこで、容器の健全性の確認の一つとして、最近、材料の内部の応力状態を非破壊的で観測ができる方法として注目されている中性子回折法を用いて残留応力測定を行い、その定量的な把握を試みた。その結果、溶接線に比較的近い溶接熱影響を受けやすい位置では、容器材料の室温での引張強さ360MPaより低い、最高で250MPa程度の引張残留応力の状態であることが確認できた。また、この位置から20mmまで離れたところでは、逆に、-100MPa程度の圧縮応力状態であることが確認できた。
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; 石倉 修一*; 勅使河原 誠*; 日野 竜太郎
JAERI-Tech 97-063, 59 Pages, 1997/12
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。
川端 祐司; 高橋 秀武
JAERI-M 86-139, 73 Pages, 1986/09
JRR-3改造計画では、長波長中性子を効率良く取り出す為に、液体水素で熱中性子を減速する冷中性子源装置の設置を計画している。減速材容器は、液体水素を重水反射体中に貯留する容器であり、極低温の液体水素温度(約20K)から高温(約400
C)までの温度範囲にわたって高線量で長期間にわたる照射を受ける。そのような厳しい照射条件下で水素を確実に閉じ込めなければならない。さらに容器は中性子を効率良く取り出す為に薄肉で扁平な水筒型としなければならないため、強い機械的強度が求められる。従って、使用期間が長く、且つ、広範囲の温度条件下において機械的強度が強い材料を選定する事が重要である。この為、極低温照射材料について調査すると共に、これら材料についてその機械的強度を評価した。この結果、JRR-3改造炉における冷中性子源装置の減速材容器材料としては、A286を用いる事が適切であるとの結論を得た。
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。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、新型減速材容器の特性について紹介する。