JP2000082598A - 中性子散乱施設用ターゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 澱みなく流動する均一性の高い整った液体金
属の流れを全領域に形成し得るようにした中性子散乱施
設用ターゲットを薄肉化して実現し、しかも、核破砕反
応による発生熱を効率良く除熱し得るようにすることを
目的としている。 【解決手段】 中性子を利用した各種の物性研究を行う
為の中性子散乱施設で用いるターゲット４に関し、内側
容器１８と外側容器１９とから成る二重殻構造とし、内
側容器１８内の幅方向中央位置に内側容器１８の基端側
から先端側に向け徐々に相互間隔が拡がるようにブレー
ド２１を複数枚配列し、内側容器１８内におけるブレー
ド２１列を挟んだ幅方向の一側を往路２３とし且つ他側
を復路２４として水銀Ｍ（液体金属）を給排し、内側容
器１８と外側容器１９との間の冷却流路２０に対し冷却
水Ｗ（冷却媒体）を給排する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高エネルギー陽子
を入射して内部の液体金属と衝突させることにより核破
砕反応で中性子を発生せしめる中性子散乱施設用ターゲ
ットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は中性子を利用した各種の物性研究
を行う為の中性子散乱施設の一例を示すもので、陽子射
出器１から射出した陽子を線形加速器２により高周波電
流で加速して累積リング３に入射し、該累積リング３に
て偏向電磁石の磁場により軌道を曲げて周回させつつ高
周波電流により必要エネルギーとなるまで増速を行い、
然る後に、必要エネルギーとなった陽子を累積リング３
からターゲット４に向けて射出し、該ターゲット４内に
抱持されている水銀等の液体の重金属に当てて核破砕反
応（スポレーション反応）により高速中性子を発生せし
めるようにしてあり、更には、前記ターゲット４から発
生した高速中性子を、液体水素（２０Ｋ、１．５ＭＰ
ａ）等の減速材を内部に抱持した減速材容器５を透過さ
せることにより研究目的に応じた熱中性子や冷中性子に
変換してビームライン６を通しラボ７へと導くようにし
てある。

【０００３】図８は前述した如き中性子散乱施設に用い
られている従来のターゲット４の一例を示し、この種の
ターゲット４は、略水平な方向から入射する陽子８に対
向するように延びる容器本体９と、該容器本体９内の下
部に配置されて基端側から先端付近にまで延びる仕切板
１０とを備え、該仕切板１０と容器本体９の底面との間
に形成される流路を往路１１として容器本体９の基端側
から先端側に向け水銀Ｍを導入し、該水銀Ｍを容器本体
９内の先端で折り返し、前記仕切板１０と容器本体９の
天井面との間の流路を復路１２として基端側へ戻すよう
に構成されている。

【０００４】ここで、往路１１の流入口１３と復路１２
の流出口１４とは、容器本体９の外部で循環ループ１５
により接続されていて、該循環ループ１５の途中に備え
たポンプ１６により水銀Ｍが循環されるようになってお
り、また、循環ループ１５の途中に備えた熱交換器１７
により水銀Ｍが冷却されてから容器本体９へ戻されるよ
うになっている。

【０００５】即ち、高エネルギー陽子８を入射されて核
破砕反応で大強度の高速中性子が発生する際には、水銀
Ｍが多大な入熱を受けることになるので、容器本体９内
に対し水銀Ｍを常に給排して良好な流動状況を確保する
ことにより除熱を図り、ターゲット４の耐熱性を確保す
るようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、斯かる
従来のターゲット４においては、容器本体９の基端側に
導入された水銀Ｍが全て容器本体９の先端側まで流れて
から先端内周面に沿って基端側へと折り返す流れを形成
する為、この流れにより取り囲まれた領域で澱みや再循
環流Ｒが発生し易くなり、このような澱みや再循環流Ｒ
が発生してしまうと、容器本体９内に継続的に滞留して
排出されない水銀Ｍが生じて局所的な温度上昇（ホット
スポットの発生）が起こる虞れがあった。

【０００７】また、耐圧性を確保する為に容器本体９を
厚肉にせざるを得なかった為、核破砕反応により発生し
た高速中性子が容器本体９を透過する際に、意図しない
大幅な減速がなされてしまうという不具合もあった。

【０００８】更には、容器本体９に対し大流量の水銀Ｍ
を冷却しつつ循環供給することだけで核破砕反応による
発生熱を除熱するようにしていた為、水銀Ｍを循環する
ポンプ１６等の給排設備や、熱交換器１７等の冷却設備
にかかる負担が極めて大きく、しかも、発生熱の大きな
核破砕反応に対応することが困難であるという不具合も
あった。

【０００９】本発明は上述の実情に鑑みてなしたもの
で、澱みなく流動する均一性の高い整った液体金属の流
れを全領域に形成し得るようにした中性子散乱施設用タ
ーゲットを薄肉化して実現し、しかも、核破砕反応によ
る発生熱を効率良く除熱し得るようにすることを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、略水平な方向
から入射する陽子に対向するように延び且つ基端側から
先端側に向け容積が漸減するようにテーパ形状を付され
た内側容器と、該内側容器の周囲を相互間に冷却流路を
介在させつつ被包する外側容器と、内側容器内の幅方向
中央位置に陽子の入射方向に対し略直角な面を成して内
側容器の基端側から先端側に向け徐々に相互間隔が拡が
るように複数枚配列され且つその幅方向中央に陽子を通
過せしめる開口部を有し幅方向両側を内側容器の基端側
に向け後退せしめたブレードとを備え、内側容器内にお
けるブレード列を挟んだ幅方向の一側を往路とし且つ他
側を復路として内側容器の基端側から液体金属を給排し
得るよう構成すると共に、冷却流路に対し外側容器の基
端側から冷却媒体を給排し得るよう構成したことを特徴
とする中性子散乱施設用ターゲット、に係るものであ
る。

【００１１】従って、本発明では、内側容器内における
ブレード列を挟んだ幅方向の一側を往路として内側容器
の基端側から液体金属を導入すると、その導入された液
体金属は、内側容器の先端側へと向かいつつ各ブレード
の相互間に分配され、該各ブレードの相互間を反対側へ
抜け出て内側容器内の幅方向他側の往路に到り、該往路
を通して内側容器の基端側へと戻される。

【００１２】この際、各ブレードの幅方向両側が内側容
器の基端側に向け後退した形状となっていることによ
り、内側容器の先端側に向け往路を流れる液体金属が、
円滑に各ブレード間に分配され、また、各ブレード間を
抜け出た液体金属が、内側容器の基端側に向けて流れる
復路の流れに円滑に合流されることになる。

【００１３】また、各ブレードは、内側容器の基端側か
ら先端側に向け徐々に相互間隔が拡がるように配列され
ており、各ブレード間を通過するのに伴う液体金属の流
動抵抗が内側容器の先端側に向かうほど緩和されている
ので、内側容器の基端側における液体金属の偏った分配
が抑制されることになり、しかも、往路を流れる液体金
属の流量が各ブレード間への分配により減少しても、内
側容器の容積が基端側から先端側に向け漸減するように
なっているので、内側容器の先端側においても基端側と
同様の分配状況が確保されることになる。

【００１４】そして、このように液体金属の分配が良好
に行われる結果、内側容器内の全領域に澱みなく流動す
る均一性の高い整った液体金属の流れが形成されること
になり、内側容器の先端側で生じようとする澱みや再循
環流の発生が防止される。

【００１５】また、各ブレードは、単なる液体金属の分
配板として機能するだけでなく、内側容器に対する補強
部材としても機能し、内側容器が各ブレードにより補強
されて剛性を大幅に向上されることになるので、内側容
器の薄肉化を図ることが可能となり、しかも、内側容器
と外側容器との間における冷却流路の圧力を内側容器内
の圧力より高めて差圧を持たせれば、更なる内側容器の
薄肉化を図ることも可能となる。

【００１６】更に、内側容器と外側容器との間の冷却流
路に冷却媒体を給排して核破砕反応による発生熱の除熱
を支援することが可能となるので、より大きな発生熱の
核破砕反応にも対応することが可能となると共に、液体
金属の給排設備や冷却設備にかかる負担を軽減すること
も可能となる。

【００１７】また、本発明においては、内側容器と外側
容器との間に、外側容器の基端側から先端側に向けて延
びるフローガイドを配設し、該フローガイドにより外側
容器の基端側に導入した冷却媒体が先端側を経由してか
ら基端側に戻るように冷却流路を系統分けすることが好
ましい。

【００１８】このようにすれば、冷却媒体を確実に外側
容器の先端側まで行き渡らせて冷却流路の全領域で効率
良く冷却を行うことが可能となると共に、フローガイド
により内側容器及び外側容器を補強して両者の剛性を向
上することも可能となる。

【００１９】更に、本発明においては、内側容器と外側
容器との間に、フローガイドに対し平行に延びる複数の
リブを散在させて配置すると良く、このようにすれば、
冷却媒体の整流化を促進することが可能となると共に、
内側容器及び外側容器を補強して両者の剛性をより一層
向上することが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照しつつ説明する。

【００２１】図１〜図６は本発明を実施する形態の一例
を示すもので、図８と同一の符号を付した部分は同一物
を表わしている。

【００２２】図中１８は略水平な方向から入射する陽子
８に対向するように延び且つ基端側から先端側に向け容
積が漸減するようにテーパ形状を付された内側容器、１
９は該内側容器１８の周囲を相互間に冷却流路２０を介
在させつつ被包する外側容器を示し、内側容器１８内の
幅方向中央位置には、陽子８の入射方向に対し略直角な
面を成して内側容器１８の基端側から先端側に向け徐々
に相互間隔が拡がるように複数枚のブレード２１が配列
されており、該各ブレード２１の幅方向中央には、陽子
８を通過せしめる開口部２２が形成され、しかも、各ブ
レード２１の幅方向両側は、内側容器１８の基端側に向
け後退せしめた形状としてある。

【００２３】そして、特に図２の平面断面図に示す如
く、内側容器１８内におけるブレード２１列を挟んだ幅
方向の一側を往路２３とし且つ他側を復路２４として内
側容器１８の基端側から水銀Ｍを給排し得るようにして
あり、より具体的には、内側容器１８内におけるブレー
ド２１列の最後尾後方にビームダンプ２５を配置し且つ
該ビームダンプ２５の幅方向両側面から内側容器１８の
基端にかけて一対の隔離板２６を配置して非流動空間２
７を画定することにより、該非流動空間２７の幅方向両
側に往路２３の流入口２８と復路２４の流出口２９とを
夫々形成し、これら流入口２８と流出口２９とを内側容
器１８の外部で循環ループ１５により接続して、該循環
ループ１５の途中に備えたポンプ１６により水銀Ｍを循
環し且つ前記循環ループ１５の途中に備えた熱交換器１
７により水銀Ｍを冷却してから内側容器１８へ戻すよう
に構成してある。

【００２４】また、図５及び図６に外側容器１９のみを
破断して内側容器１８の平面図及び側面図を示すよう
に、内側容器１８と外側容器１９との間には、外側容器
１９の基端側から先端側に向けて延びる複数本（図示す
る例では表裏合計八本）のフローガイド３０が配設され
ており、該各フローガイド３０により外側容器１９の基
端側に導入した冷却水Ｗ（重水）が先端側を経由してか
ら基端側に戻るように冷却流路２０が三系統Ａ，Ｂ，Ｃ
に分けられている。

【００２５】即ち、系統Ａ，Ｂは、内側容器１８の上下
面に同様にして形成されており、図５の平面図に図示さ
れている四本のフローガイド３０のうちの真ん中の二本
に挟まれた流路領域を往路とし、該往路の両側の流路領
域を復路としており、前記往路における外側容器１９の
基端側に突設した流入ノズル３１から導入された冷却水
Ｗが外側容器１９の先端側へ流れた後に左右に振り分け
られて各復路を戻り、外側容器１９の基端側に突設した
流出ノズル３２から排出されるようになっている。

【００２６】また、系統Ｃは、図６の側面図に図示され
ている四本のフローガイド３０のうちの真ん中の二本に
挟まれた流路領域を往路とし、該往路に対し外側容器１
９の幅方向反対側に同様にして形成されている流路領域
を復路（図４参照）としており、前記往路における外側
容器１９の基端側に突設した流入ノズル３１から導入さ
れた冷却水Ｗが外側容器１９の先端側を回り込んで復路
を戻り、外側容器１９の基端側に突設した流出ノズル３
２から排出されるようになっている。

【００２７】更に、特に本形態例においては、図５に示
すように、内側容器１８と外側容器１９との間に、フロ
ーガイド３０に対し平行に延びる複数のリブ３３を散在
させて配置するようにしてあり、これらのリブ３３は、
冷却水Ｗに対する整流板として機能すると共に、内側容
器１８及び外側容器１９の相互間を補強する補強部材と
しても機能するようになっている。

【００２８】而して、内側容器１８内におけるブレード
２１列を挟んだ幅方向の一側を往路２３として内側容器
１８の基端側の流入口２８から水銀Ｍを導入すると、そ
の導入された水銀Ｍは、内側容器１８の先端側へと向か
いつつ各ブレード２１の相互間に分配され、該各ブレー
ド２１の相互間を反対側へ抜け出て内側容器１８内の幅
方向他側の往路２３に到り、該往路２３を通して内側容
器１８の基端側へと戻される。

【００２９】この際、各ブレード２１の幅方向両側が内
側容器１８の基端側に向け後退した形状となっているこ
とにより、内側容器１８の先端側に向け往路２３を流れ
る水銀Ｍが、円滑に各ブレード２１間に分配され、ま
た、各ブレード２１間を抜け出た水銀Ｍが、内側容器１
８の基端側に向けて流れる復路２４の流れに円滑に合流
されることになる。

【００３０】また、各ブレード２１は、内側容器１８の
基端側から先端側に向け徐々に相互間隔が拡がるように
配列されており、各ブレード２１間を通過するのに伴う
水銀Ｍの流動抵抗が内側容器１８の先端側に向かうほど
緩和されているので、内側容器１８の基端側における水
銀Ｍの偏った分配が抑制されることになり、しかも、往
路２３を流れる水銀Ｍの流量が各ブレード２１間への分
配により減少しても、内側容器１８の容積が基端側から
先端側に向け漸減するようになっているので、内側容器
１８の先端側においても基端側と同様の分配状況が確保
されることになる。

【００３１】そして、このように水銀Ｍの分配が良好に
行われる結果、内側容器１８内の全領域に澱みなく流動
する均一性の高い整った水銀Ｍの流れが形成されること
になり、内側容器１８の先端側で生じようとする澱みや
再循環流の発生が防止される。

【００３２】また、各ブレード２１は、単なる水銀Ｍの
分配板として機能するだけでなく、内側容器１８に対す
る補強部材としても機能し、内側容器１８が各ブレード
２１により補強されて剛性を大幅に向上されることにな
るので、内側容器１８の薄肉化を図ることが可能とな
り、しかも、内側容器１８と外側容器１９との間におけ
る冷却流路２０の圧力を内側容器１８内の圧力より高め
て差圧を持たせれば、更なる内側容器１８の薄肉化を図
ることも可能となる。

【００３３】更に、内側容器１８と外側容器１９との間
の冷却流路２０の三系統Ａ，Ｂ，Ｃに冷却水Ｗを給排す
ると、核破砕反応による発生熱の除熱が冷却水Ｗによる
水冷で支援されることになる。

【００３４】従って上記形態例によれば、内側容器１８
内の全領域に澱みなく流動する均一性の高い整った水銀
Ｍの流れを形成することができ、内側容器１８の先端側
で生じようとする澱みや再循環流の発生を未然に防止す
ることができるので、内側容器１８内に継続的に水銀Ｍ
が滞留することによる局所的な温度上昇を確実に回避す
ることができる。

【００３５】また、各ブレード２１の配列設置により内
側容器１８を補強して該内側容器１８の剛性を大幅に向
上することができるので、内側容器１８の薄肉化を図る
ことができ、しかも、内側容器１８と外側容器１９との
間の冷却流路２０における圧力を内側容器１８内の圧力
より高めて差圧を持たせることにより更なる内側容器１
８の薄肉化を図ることもできるので、核破砕反応により
発生した高速中性子が容器本体を透過する際に意図しな
い大幅な減速がなされてしまう不具合を回避することが
できる。

【００３６】更に、内側容器１８と外側容器１９との間
の冷却流路２０に冷却水Ｗを給排して核破砕反応による
発生熱の除熱を支援することができるので、より大きな
発生熱の核破砕反応にも対応することができると共に、
水銀Ｍの給排設備や冷却設備にかかる負担を著しく軽減
することもできる。

【００３７】また、特に本形態例においては、内側容器
１８と外側容器１９との間に、外側容器１９の基端側か
ら先端側に向けて延びるフローガイド３０を配設し、該
フローガイド３０により外側容器１９の基端側に導入し
た冷却水Ｗが先端側を経由してから基端側に戻るように
冷却流路２０を系統分けしているので、冷却水Ｗを確実
に外側容器１９の先端側まで行き渡らせて冷却流路２０
の全領域で効率良く冷却を行うことができると共に、フ
ローガイド３０により内側容器１８及び外側容器１９を
補強して両者の剛性を向上することもできる。

【００３８】更に、本形態例に示した如く、内側容器１
８と外側容器１９との間に、フローガイド３０に対し平
行に延びる複数のリブ３３を散在させて配置すれば、冷
却水Ｗの整流化を促進することができると共に、内側容
器１８及び外側容器１９の相互間を補強して両者の剛性
をより一層向上することができる。

【００３９】尚、本発明の中性子散乱施設用ターゲット
は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、液体
金属は水銀以外のものであっても良く、冷却媒体も冷却
水に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論であ
る。

【００４０】

【発明の効果】上記した本発明の中性子散乱施設用ター
ゲットによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得
る。

【００４１】（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によ
れば、内側容器内の全領域に澱みなく流動する均一性の
高い整った液体金属の流れを形成することができ、内側
容器の先端側で生じようとする澱みや再循環流の発生を
未然に防止することができるので、内側容器内に継続的
に液体金属が滞留することによる局所的な温度上昇を確
実に回避することができる。

【００４２】（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明に
よれば、各ブレードの配列設置により内側容器を補強し
て該内側容器の剛性を大幅に向上することができるの
で、内側容器の薄肉化を図ることができ、しかも、内側
容器と外側容器との間の冷却流路における圧力を内側容
器内の圧力より高めて差圧を持たせることにより更なる
内側容器の薄肉化を図ることもでき、このような内側容
器の薄肉化の結果として、核破砕反応により発生した高
速中性子が容器本体を透過する際に意図しない大幅な減
速がなされてしまう不具合を回避することができる。

【００４３】（ＩＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明
によれば、内側容器と外側容器との間の冷却流路に冷却
媒体を給排して核破砕反応による発生熱の除熱を支援す
ることができるので、より大きな発生熱の核破砕反応に
対応することができると共に、液体金属の給排設備や冷
却設備にかかる負担を著しく軽減することができる。

【００４４】（ＩＶ）本発明の請求項２に記載の発明に
よれば、冷却媒体を確実に外側容器の先端側まで行き渡
らせて冷却流路の全領域で効率良く冷却を行うことがで
きると共に、フローガイドにより内側容器及び外側容器
を補強して両者の剛性を向上することができる。

【００４５】（Ｖ）本発明の請求項３に記載の発明によ
れば、冷却媒体の整流化を促進することができると共
に、内側容器及び外側容器の相互間を補強して両者の剛
性をより一層向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する形態の一例を示す一部を切り
欠いた斜視図である。

【図２】図１のターゲットの平面断面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の矢視図である。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ方向の矢視図である。

【図５】図１のターゲットの外側容器のみを破断して示
す内側容器の平面図である。

【図６】図１のターゲットの外側容器のみを破断して示
す内側容器の側面図である。

【図７】一般的な中性子散乱施設の一例を示す概略図で
ある。

【図８】従来のターゲットの一例を示す側面断面図であ
る。

【符号の説明】

４ ターゲット ８ 陽子 １８ 内側容器 １９ 外側容器 ２０ 冷却流路 ２１ ブレード ２２ 開口部 ２３ 往路 ２４ 復路 ３０ フローガイド ３３ リブ Ｍ 水銀（液体金属） Ｗ 冷却水（冷却媒体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日野 竜太郎 茨城県那珂郡東海村白方白根２番地の４ 日本原子力研究所 東海研究所内 (72)発明者 西川 明 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社横浜エンジニアリ ングセンター内 (72)発明者 寺田 敦彦 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社横浜エンジニアリ ングセンター内 Ｆターム(参考） 2G085 BE02 BE05 BE06 CA30 DA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略水平な方向から入射する陽子に対向す
   るように延び且つ基端側から先端側に向け容積が漸減す
   るようにテーパ形状を付された内側容器と、該内側容器
   の周囲を相互間に冷却流路を介在させつつ被包する外側
   容器と、内側容器内の幅方向中央位置に陽子の入射方向
   に対し略直角な面を成して内側容器の基端側から先端側
   に向け徐々に相互間隔が拡がるように複数枚配列され且
   つその幅方向中央に陽子を通過せしめる開口部を有し幅
   方向両側を内側容器の基端側に向け後退せしめたブレー
   ドとを備え、内側容器内におけるブレード列を挟んだ幅
   方向の一側を往路とし且つ他側を復路として内側容器の
   基端側から液体金属を給排し得るよう構成すると共に、
   冷却流路に対し外側容器の基端側から冷却媒体を給排し
   得るよう構成したことを特徴とする中性子散乱施設用タ
   ーゲット。
2. 【請求項２】 内側容器と外側容器との間に、外側容器
   の基端側から先端側に向けて延びるフローガイドを配設
   し、該フローガイドにより外側容器の基端側に導入した
   冷却媒体が先端側を経由してから基端側に戻るように冷
   却流路を系統分けしたことを特徴とする請求項１に記載
   の中性子散乱施設用ターゲット。
3. 【請求項３】 内側容器と外側容器との間に、フローガ
   イドに対し平行に延びる複数のリブを散在させて配置し
   たことを特徴とする請求項２に記載の中性子散乱施設用
   ターゲット。