JP3652958B2 - 中性子減速材循環装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば中性子利用施設における中性子減速材容器に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させるのに使用される中性子減速材としての液体水素の循環装置に係り、特に臨界未満状態の水素ガスの液化を簡単にかつ迅速に行なえるようにした中性子減速材循環装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
中性子は、電荷を持たず、原子の周りにある電子の雲を通り抜けて原子核と衝突する素粒子であり、２０世紀に発見されてから、原子力利用や基礎科学に大きな役割を果たしてきている。
【０００３】
特に、最近では、生命科学、物質科学、材料科学、地球科学等の分野において、中性子を利用する施設の研究が行なわれてきている。
【０００４】
生命科学の分野では、例えば原子レベルでの生理機能、発現中の構造等の研究に、中性子を利用することが研究されてきている。
【０００５】
また、物質科学の分野では、例えば散逸系の構造、液体や非晶物質の界面、薄膜の物性等の研究に、中性子を利用することが研究されてきている。
【０００６】
さらに、材料科学の分野では、複合材料相境界の応力、結晶成長、三次元透視技術等の研究に、中性子を利用することが研究されてきている。
【０００７】
さらにまた、地球科学の分野では元素合成と星の構造等の研究に、中性子を利用することが研究されてきている。
【０００８】
一方、このように中性子を利用する場合には、その利用目的に応じて、散乱により発生した高速エネルギーを持つ中性子をそのまま利用したり、あるいは場合によっては、当該高速エネルギーを持つ中性子を中性子減速材により温度を下げて冷中性子に変換して利用する場合もある。
【０００９】
このうち、本発明では、高速エネルギーを持つ中性子を中性子減速材により温度を下げて冷中性子に変換して利用する中性子利用施設を対象としている。
図２は、この種の中性子利用施設における従来の中性子減速材としての液体水素の循環装置の構成例を示す系統図である。
【００１０】
図２において、中性子減速材としての液体水素は、中性子減速材容器１に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させるのに使用される。
【００１１】
圧力調整容器としてのサージタンク２は、中性子減速材容器１よりも高位置に配設されており、中性子減速材容器１により受熱した液体水素が液相部に導入され、緩衝作用により圧力調整を行なう。
【００１２】
循環ポンプ３は、サージタンク２による圧力調整後の液体水素を循環させる。
【００１３】
冷却器４は、サージタンク２よりも高位置に配設されており、循環ポンプ３により循環される液体水素が導入され、冷凍機５から供給される冷媒（例えば、液体ヘリウム）を冷却源として液体水素の除熱を行ない、除熱後の液体水素を中性子減速材容器１へ再び戻す。
【００１４】
水素ガス貯蔵タンク６は、サージタンク２の気相部に水素ガスを供給する。
【００１５】
流量計７は、冷却器４から中性子減速材容器１へ戻る液体水素の流量を計測して、その計測値を、循環ポンプ３の回転数を規定値に制御する図示しない制御装置へフィードバックする。
一方、循環ポンプ３の出側に、循環ポンプ出口弁８を配設している。
また、循環ポンプ出口弁８の出側とサージタンク２の気相部とを結ぶ配管の途中に、サージタンクへの戻り弁９を配設している。
さらに、水素ガス貯蔵タンク６からの水素ガス供給配管の途中に、水素ガス出口弁１０を配設している。
次に、かかる構成の中性子減速材循環装置において、減速材としての液体水素は、中性子減速材容器１に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させる。
【００１６】
中性子減速材容器１にて受熱した液体水素は、サージタンク２を経て、循環ポンプ３により循環ポンプ出口弁８を通して循環され、冷凍機５から供給される冷媒を冷却源とする冷却器４にて除熱されて、中性子減速材容器１へ再び戻される。
【００１７】
ここで、液体水素の圧力は約1.5ＭＰa[abs]、温度は約20Ｋである。すなわち、図３に水素の比エンタルピと飽和圧力との関係を示すように、水素の臨界点は圧力1.316ＭＰa[abs]、温度33.2Ｋであるので、ここでは水素は超臨界状態で使用される。
【００１８】
なお、水素の臨界点とは、水素のガス（気相）状態と液相状態との境界点として定義されるものである。
【００１９】
中性子減速材循環装置内の水素は、初期時においては、水素ガス貯蔵タンク６から水素ガス出口弁１０を通して、常温のガス状態で臨界圧力1.316ＭＰa[abs]以上の圧力（約1.5ＭＰa[abs]）まで充填される。
【００２０】
水素ガスは、この状態から循環ポンプ３により循環ポンプ出口弁８を通して循環され、冷却器４にて徐々に冷却されていくが、温度が下がるにつれて水素の密度が大きくなるので、循環ポンプ３の流量が体積で一定であれば、質量流量は徐々に大きくなる。
【００２１】
すなわち、循環ポンプ３は、温度約20Ｋの状態での質量流量を流すことができる動力を有するように設計すれば、常温から低温まで1台のポンプでの運転を行なうことが可能である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超臨界水素の物性、挙動等が十分明確になっていない、すなわち超臨界状態が材料に与える影響が明確になっていないこともあり、前述の中性子利用施設においては、超臨界状態でリスクを出したくない。
そこで、中性子利用施設においては、水素を超臨界状態ではなく臨界未満の状態で使用することも想定されており、臨界未満の状態でも取り扱えるシステムの出現が強く要望されてきている。そして、この場合には、水素をガス状態から液化させる過程が必要となる。
【００２３】
すなわち、この液化過程においては、循環ポンプ３は水素の二相流を循環させることが必要となるが、二相流に対応したポンプを設計することは困難であることから、水素の液化を何らかの方法で別途行なうことが必要となる。
【００２４】
本発明の目的は、中性子利用施設において、臨界未満状態の水素ガスの液化を簡単にかつ迅速に行なうことが可能な中性子減速材循環装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明では、中性子利用施設における中性子減速材容器に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させるのに使用される中性子減速材としての液体水素の循環装置において、中性子減速材容器よりも高位置に配設されると共に、当該中性子減速材容器により受熱した液体水素が液相部に導入され、緩衝作用により圧力調整を行なう圧力調整容器と、圧力調整容器による圧力調整後の液体水素を循環させる循環ポンプと、圧力調整容器よりも高位置に配設されると共に、循環ポンプにより循環される液体水素が導入され、冷凍機から供給される冷媒を冷却源として液体水素の除熱を行ない、当該除熱後の液体水素を中性子減速材容器へ再び戻す冷却器と、圧力調整容器の気相部に水素ガスを供給する水素ガス貯蔵容器と、冷却器よりも高位置に配設されると共に、循環ポンプの出側と冷却器の入側とを結ぶ配管と冷却器の出側と中性子減速材容器とを結ぶ配管とを結ぶ配管の途中に配設され、水素を循環させる循環圧縮機と、循環ポンプの出側に配設された循環ポンプ出口弁と、循環ポンプ出口弁の出側と圧力調整容器の気相部とを結ぶ配管の途中に配設された圧力調整容器戻り弁と、循環圧縮機の入側に配設された循環圧縮機入口弁と、循環圧縮機入口弁の入側と水素ガス貯蔵容器からの水素ガス供給配管とを結ぶ配管の途中に配設された圧力調整容器均圧弁とを備えて成る。そして、水素ガス貯蔵容器より供給される水素ガスから液体水素を生成させる液化運転時には、循環圧縮機入口弁および圧力調整容器均圧弁を開放すると共に、循環ポンプ出口弁および圧力調整容器戻り弁を閉止し、この水素ガスを冷却器において凝縮して液化することによって液体水素を生成し、液化運転完了後には、循環ポンプ出口弁および圧力調整容器戻り弁を開放すると共に、循環圧縮機入口弁および圧力調整容器均圧弁を閉止するようにしている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本実施の形態による中性子利用施設における中性子減速材としての液体水素の循環装置の構成例を示す系統図であり、図２と同一部分には同一符号を付して示している。
図１において、中性子減速材としての液体水素は、中性子減速材容器１に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させるのに使用される。
【００２８】
圧力調整容器としてのサージタンク２は、中性子減速材容器１よりも高位置に配設されており、中性子減速材容器１により受熱した液体水素が液相部に導入され、緩衝作用により圧力調整を行なう。
【００２９】
循環ポンプ３は、サージタンク２による圧力調整後の液体水素を循環させる。
【００３０】
冷却器４は、サージタンク２よりも高位置に配設されており、循環ポンプ３により循環される液体水素が導入され、冷凍機５から供給される冷媒（例えば、液体ヘリウム）を冷却源として液体水素の除熱を行ない、除熱後の液体水素を中性子減速材容器１へ再び戻す。
【００３１】
水素ガス貯蔵タンク６は、サージタンク２の気相部に水素ガスを供給する。
【００３２】
流量計７は、冷却器４から中性子減速材容器１へ戻る液体水素の流量を計測して、その計測値を、循環ポンプ３の回転数を規定値に制御する図示しない制御装置へフィードバックする。
一方、循環ポンプ３の出側に、循環ポンプ出口弁８を配設している。
また、循環ポンプ出口弁８の出側とサージタンク２の気相部とを結ぶ配管の途中に、サージタンクへの戻り弁９を配設している。
さらに、水素ガス貯蔵タンク６からの水素ガス供給配管の途中に、水素ガス出口弁１０を配設している。
循環圧縮機としての循環ブロア１１は、冷却器４よりも高位置で、循環ポンプ３の出側と冷却器４の入側とを結ぶ配管と冷却器４の出側と中性子減速材容器１とを結ぶ配管とを結ぶ配管の途中に配設されており、水素を循環させる。
【００３３】
一方、循環ブロア１１の入側に、循環ブロア入口弁１２を配設している。
【００３４】
また、循環ブロア入口弁１２の入側と水素ガス貯蔵タンク６からの水素ガス供給配管とを結ぶ配管の途中に、サージタンク均圧弁１３を配設している。
ここで、水素ガス貯蔵タンク６より供給される水素ガスから液体水素を生成させる液化運転時には、循環ブロア入口弁１２、サージタンク均圧弁１３および水素ガス出口弁１０を開放すると共に、循環ポンプ出口弁８およびサージタンク戻り弁９を閉止し、液化運転完了後には、循環ポンプ出口弁８およびサージタンク戻り弁９を開放すると共に、循環ブロア入口弁１２、サージタンク均圧弁１３および水素ガス出口弁１０を閉止するようにしている。
【００３５】
次に、以上のように構成した本実施の形態による中性子減速材循環装置の作用について説明する。
【００３６】
図１において、減速材としての液体水素は、中性子減速材容器１に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させる。
【００３７】
中性子減速材容器１にて受熱した液体水素は、サージタンク２を経て、循環ポンプ３により循環ポンプ出口弁８を通して循環され、冷凍機５から供給される冷媒を冷却源とする冷却器４にて除熱されて、中性子減速材容器１へ再び戻される。
【００３８】
ここで、液体水素の圧力は約1.2ＭＰa[abs]、温度は約20Ｋである。すなわち、前記図３に水素の比エンタルピと飽和圧力との関係を示すように、水素の臨界点は圧力1.316ＭＰa[abs]、温度33.2Ｋであるので、ここでは水素は臨界未満の状態で使用される。
【００３９】
中性子減速材循環装置内の水素は、水素ガス貯蔵タンク６から水素ガス出口弁１０を通して、常温のガス状態で臨界圧力1.316ＭＰa[abs]未満の圧力（約1.2ＭＰa[abs]）まで充填された後に、水素ガスの液化運転が行なわれる。
【００４０】
水素ガスの液化運転は、循環ブロア入口弁１２、サージタンク均圧弁１３および水素ガス出口弁１０を開放し、循環ポンプ出口弁８およびサージタンク戻り弁９を閉止した状態で行う。
【００４１】
水素ガスは、この状態から循環ブロア入口弁１２を通して循環ブロア１１により循環され、冷却器４にて一部が凝縮される。そして、この凝縮して液化した水素は、重力の作用で装置内最下部に位置する中性子減速材容器１から徐々に充填されていく。
【００４２】
水素が凝縮することによる装置内の圧力の低下に応じて、水素ガス貯蔵タンク６から水素ガスが装置内に充填され、圧力は一定に保たれる。そして、液体水素の液位がサージタンク２の中に形成された時点で液化運転が完了する。
【００４３】
この液化運転が完了した状態で、循環ポンプ出口弁８およびサージタンク戻り弁９を開放し、循環ブロア入口弁１２、サージタンク均圧弁１３および水素ガス出口弁１０を閉止して、循環ポンプ３を起動することによって循環ポンプ出口弁８を通して液体水素の循環を開始する。
【００４４】
以上のようにして、本中性子減速材循環装置においては、最初に装置内に充填された水素ガスは、装置内の最上部位置に設置された循環ブロア１１により循環され、冷却器４にて飽和温度まで冷却されることにより、一部が凝縮して液化される。この液化された水素は、冷却器４の出口配管の分岐部にて重力の作用で装置内の下部に流下し、残りの水素ガスは循環ブロア１１にて再循環される。
【００４５】
この場合、循環ブロア１１は、液化した水素を吸い込むことなく、ガス単相のみを吸い込み、循環させることができる。
【００４６】
水素の液化過程では、循環ポンプ出口弁８およびサージタンク戻り弁９を閉止しておくことにより、水素ガスは循環ポンプ３側およびサージタンク２側に流れることはない。また、サージタンク均圧弁１３を開放しておくことにより、液体水素の落下に伴なう装置内のガス抜きが可能になる。
【００４７】
一方、水素ガスの液化運転の完了後、循環ポンプ３を起動することにより、サージタンク２内の液体水素が装置の上部位置の配管内に残った水素ガスをサージタンク２の気相部に追い出し、当該配管を満たして充填されるため、装置内に水素ガスが残ることはなく、循環ポンプ３による液体水素の循環への移行がスムースに行なわれる。
【００４８】
上述したように、本実施の形態による中性子減速材循環装置では、中性子利用施設において、液体水素を臨界未満の状態で中性子の減速材として使用する場合には、水素の液化のための水素ガスの循環機構と液体水素の循環機構とを分離することができるため、水素ガスの液化過程から、液化された水素の循環過程への移行を、極めて簡単に行なうことが可能となる。これにより、臨界未満状態の水素ガスの液化を簡単にかつ迅速に行なうことができる。
【００４９】
また、水素を超臨界状態で取り扱う場合には、循環ブロア１１を使用せずに、循環ポンプ３のみを使用すればよいため、同一の装置での運転を行なうことが可能である。
【００５０】
以上により、循環ポンプ３は水素の二相流を循環させなくてもよいため、循環ポンプ３として二相流に対応したポンプを設計する必要がなくなる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の中性子減速材循環装置によれば、中性子利用施設において、液体水素の循環系統の他に水素ガスの循環系統を設置するようにしているので、臨界未満状態の水素ガスの液化を簡単にかつ迅速に行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による中性子利用施設における中性子減速材としての液体水素の循環装置の一実施の形態を示す系統図。
【図２】中性子利用施設における従来の中性子減速材としての液体水素の循環装置の構成例を示す系統図。
【図３】水素の比エンタルピと飽和圧力との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…中性子減速材容器
２…サージタンク
３…循環ポンプ
４…冷却器
５…冷凍機
６…水素ガス貯蔵タンク
７…流量計
８…循環ポンプ出口弁
９…サージタンクへの戻り弁
１０…水素ガス出口弁
１１…循環ブロア
１２…循環ブロア入口弁
１３…サージタンク均圧弁。

Claims (1)

1. 中性子利用施設における中性子減速材容器に入射する中性子の温度を下げて冷中性子を生成させるのに使用される中性子減速材としての液体水素の循環装置において、
   前記中性子減速材容器よりも高位置に配設されると共に、当該中性子減速材容器により受熱した液体水素が液相部に導入され、緩衝作用により圧力調整を行なう圧力調整容器と、
   前記圧力調整容器による圧力調整後の液体水素を循環させる循環ポンプと、
   前記圧力調整容器よりも高位置に配設されると共に、前記循環ポンプにより循環される液体水素が導入され、冷凍機から供給される冷媒を冷却源として前記液体水素の除熱を行ない、当該除熱後の液体水素を前記中性子減速材容器へ再び戻す冷却器と、
   前記圧力調整容器の気相部に水素ガスを供給する水素ガス貯蔵容器と、
   前記冷却器よりも高位置に配設されると共に、前記循環ポンプの出側と前記冷却器の入側とを結ぶ配管と前記冷却器の出側と前記中性子減速材容器とを結ぶ配管とを結ぶ配管の途中に配設され、前記水素を循環させる循環圧縮機と、
   前記循環ポンプの出側に配設された循環ポンプ出口弁と、
   前記循環ポンプ出口弁の出側と前記圧力調整容器の気相部とを結ぶ配管の途中に配設された圧力調整容器戻り弁と、
   前記循環圧縮機の入側に配設された循環圧縮機入口弁と、
   前記循環圧縮機入口弁の入側と前記水素ガス貯蔵容器からの水素ガス供給配管とを結ぶ配管の途中に配設された圧力調整容器均圧弁とを備えて成り、
   前記水素ガス貯蔵容器より供給される水素ガスから液体水素を生成させる液化運転時には、前記循環圧縮機入口弁および圧力調整容器均圧弁を開放すると共に、前記循環ポンプ出口弁および圧力調整容器戻り弁を閉止し、この水素ガスを前記冷却器において凝縮して液化することによって前記液体水素を生成し、
   前記液化運転完了後には、前記循環ポンプ出口弁および圧力調整容器戻り弁を開放すると共に、前記循環圧縮機入口弁および圧力調整容器均圧弁を閉止するようにしたことを特徴とする中性子減速材循環装置。

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