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論文

New design and fabrication technology applied in mercury target vessel #8 of J-PARC

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。

論文

核破砕中性子源の水銀ターゲット容器溶接部に対する超音波検査技術

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$$sim$$1.5mm)と良く一致した。

口頭

J-PARC水銀ターゲット容器の堅牢性向上へ向けた設計・製作および検査手法の改良

羽賀 勝洋; 涌井 隆; 若井 栄一; 粉川 広行; 直江 崇; 高田 弘

no journal, , 

2015年に500kWの陽子ビーム出力で運転中であった水銀ターゲットの保護容器で不具合が生じたため、その原因分析を行ってきた。その結果、これらの不具合は設計段階の解析評価で予見することが困難な条件、つまり材料選定や接合・溶接手法、試験検査を含めた製作手順などの要因により、容器壁内に微小な初期欠陥が生じた事に起因する可能性の高いことが分かった。このような不具合の再発を防止し、高出力運転における水銀ターゲット容器の堅牢性・信頼性を向上させるため、ワイヤー放電加工を用いた部材製作で溶接部を減らすとともに、放射線検査、超音波検査を積極的に導入し、溶接・接合部の健全性を確認する方針とした。具体的には体積発熱の大きな前半部は、水銀容器と保護容器を含めて全てステンレスのブロックから切り出す一体構造とし、後半部も部材点数を減らすことで、全体の溶接線長さを70%低減している。また、超音波検査は新たな計測手法の検討を行っており、初期欠陥の検知精度を向上させるべく改良を行っている。本発表では、これらの設計・製作・検査手法の改良と、新たな水銀ターゲット容器の製作状況について報告する。

口頭

J-PARC核破砕中性子源における照射後水銀ターゲット容器の運搬キャスクの設計

原田 正英; 内田 敏嗣; 関島 光昭; 羽賀 勝洋; 粉川 広行; 木下 秀孝; 高田 弘; 佐藤 浩一; 増山 康一

no journal, , 

J-PARCの核破砕中性子源の照射後水銀ターゲット容器を事業所内の別の保管用建屋へ運搬するために、運搬キャスク表面の線量が(運搬基準を満足する)2mSv/h以下となる遮蔽設計、1.6m落下時に、遮蔽性能や気密が担保される構造設計等、運搬規則を満足する運搬キャスクの設計・検討を行った。遮蔽評価では、ターゲット容器の実機を模擬した三次元計算モデルを構築し、PHITSやMCNPXによる粒子輸送計算シミュレーションとDCHAIN-SPによる残留放射性核種生成量計算とを組み合わせて、線量評価を実施した。さらに遮蔽評価の信頼性を上げるために、保管中の照射後ターゲット容器の線量の実測データとの比較を行った。実測値との比較から、照射後水銀ターゲット容器(ステンレス製)では、容器自身の放射化による線量だけでなく水銀の核破砕反応による成分の容器への付着及びステンレス中の不純物であるコバルトによる放射化が線量増大に寄与していることが分かった。これらを設計へと反映させた運搬キャスクを設計した。

口頭

J-PARC核破砕パルス中性子源の大強度化のための半無拘束型ターゲットの技術実証評価

若井 栄一; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 羽賀 勝洋; Guan, W.; 高田 弘; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCセンターの物質・生命科学施設(MLF)の中性子源の水銀標的システムはこれまで約100kWから約400kWまでの陽子ビーム強度下で安定運転を実施してきた実績を持ち、1MWでの大強度運転が期待されている。核破砕パルス中性子源の大強度化のため、運転時に水銀ターゲットに高い応力が負荷される領域に対し、水銀容器と保護容器の間の拘束部を取り除いた半無拘束型ターゲット容器構造の設計検討と製作技術の実証試験を行った。その結果、応力を低減できる半無拘束型ターゲットの構造と製作の成立性の目途を得た。

口頭

大強度化のためのJ-PARC水銀ターゲット容器の製作技術の現状

涌井 隆; 若井 栄一; 粉川 広行; 直江 崇; 羽賀 勝洋; 高田 弘

no journal, , 

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3mm)の多重容器構造で、溶接組立による複雑な構造を持つ。2015年に500kWの陽子ビーム出力で運転中、保護容器の溶接部から微小な冷却水漏れを生じた不具合の再発を防止するため、新しい容器では、熱応力の高い前半部の溶接線数を低減する改良と溶接検査を強化する改善を行った。これまで個別に加工し、溶接で組み立てた水銀容器と保護容器を、ワイヤー放電加工によりブロックから一体成型するよう製作方法を変更し、溶接線の総長さを半減させた。また、溶接変形を低減するために、溶接手順の見直しを行った。溶接検査では、放射線透過試験と超音波探傷試験を追加した。特に、薄肉部の検査精度を向上するために、新たな水浸式超音波法を適用して、0.2mmまで欠陥検出精度を高め、その溶接検査により、新しい容器の健全性を確認した。

口頭

J-PARC核破砕中性子源水銀ターゲット容器の損傷挙動評価の現状

若井 栄一; 直江 崇; 涌井 隆; 原田 正英; 粉川 広行; Guan, W.; 羽賀 勝洋; 高田 弘

no journal, , 

J-PARCの核破砕中性子源では、物質・生命科学や産業の発展のためには、国内外の研究者や民間企業のユーザーによって中性子線を利用した様々な解析が行われていて、パルス陽子ビーム(3GeV, 25Hz)の1MW安定運転を目標としている。J-PARCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器は高エネルギー粒子の通過や反応によってもたらされる損傷の蓄積により、材料強度特性等が徐々に劣化していくため、今後、出力を上げていくためには損傷挙動の予測精度を高めていく必要がある。核破砕中性子源施設において、原子炉の照射環境と最も異なる点は中性子エネルギースペクトルと高エネルギーパルス陽子ビームであり、それの影響を考慮した次のような特性評価((1)疲労、(2)照射損傷やガス元素生成の影響(PHITSコード含む)、(3)水銀中の損傷(キャビテーション損傷と対策)など)が不可欠である。本報告では水銀ターゲット容器に対する損傷挙動評価の現状を報告するとともに、パルス状の高い熱負荷や高い照射量の耐久性能を持つ水銀ターゲット容器の設計と製作技術の高度化の現状について併せて報告する。

口頭

J-PARC核破砕中性子源における陽子ビームの形状及び入射位置の変化が水銀ターゲットの核特性及び構造強度に及ぼす影響,2; 水銀ターゲットにおける核発熱及び中性子実験装置へ供給する冷熱中性子強度

原田 正英; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 明午 伸一郎; 大井 元貴; 高田 弘

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源は、水銀ターゲットに3GeV、1MW陽子ビームを入射し、核破砕反応で発生する中性子を反射体・減速材で減速し、発生する中性子を中性子実験装置に供給する施設である。本研究では、入射する陽子ビームの形状やビーム入射位置が、水銀ターゲット容器の構造強度や発生する中性子特性に及ぼす影響を定量的に調べることを目的とし、水銀ターゲット容器の核発熱及び中性子強度の変化を測定した。ビーム形状をガウス分布とし、垂直方向に上下各々4mmの範囲で入射位置を変えた場合、中性子実験装置NOBORUで計測される中性子強度をHe-3カウンターで計測した。この結果、1$$sim$$20meVの中性子強度の積分値は、中心に入射する場合に比べ、4mm下方に入射した場合は、約2.5%低下し、4mm上方に入射した場合は、約2%増加することがわかった。MCNPXコードとPHITSコードによる粒子輸送計算を行い、測定結果を比較した結果、両者はよく一致した。

口頭

J-PARC核破砕中性子源における陽子ビームの形状及び入射位置の変化が水銀ターゲットの核特性及び構造強度に及ぼす影響,1; 水銀ターゲット容器の構造的健全性

粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 原田 正英; 明午 伸一郎; 大井 元貴; 高田 弘

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源は、水銀ターゲットに3GeV、1MW陽子ビームを入射し、発生する中性子を中性子実験装置に供給する施設である。陽子ビームの形状や入射位置の変化は、水銀ターゲット容器の構造的健全性や中性子実験装置に供給する中性子強度に影響を与える。そこで、陽子ビームの形状や入射位置を変化させ、構造強度及び中性子特性に与える影響を、実測と解析の両面から確認した。本発表は、シリーズ発表1であり、構造強度の観点から、陽子ビームの出力や入射位置を変化させた際の容器の温度上昇の変化を調べ、核発熱分布評価の妥当性を検証し、核発熱によって水銀ターゲット容器に発生する熱応力を評価した。その結果、陽子ビームが入射する水銀ターゲット容器の先端付近では、陽子ビームの入射位置が温度上昇に大きく影響することが分かった。水銀ターゲット容器の中心と陽子ビーム中心とのずれは最大で6mmに抑える設計としているため、この時の応力評価の結果、ずれが無い場合に比べて熱応力が10%増加するが、この結果は、構造強度評価で考慮している20%の裕度が妥当であることを示した。

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