JP3903162B2

JP3903162B2 - Liquid metal target for neutron generator

Info

Publication number: JP3903162B2
Application number: JP2001278030A
Authority: JP
Inventors: 将裕三木; 久人田川; 文夫高橋; 一輝土田; 秀紀道下; 雪郎小川; 薫小林; 雅紀神永; 勝洋羽賀; 秀孝木下; 竜太郎日野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP2003084099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陽子ビームを液体金属に照射して核破砕反応により中性子を発生させると共に、液体金属を熱媒体として流動させる新規な中性子発生装置用液体金属ターゲットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
中性子発生装置では、大強度の陽子ビームを液体金属に照射して核破砕反応により中性子を発生させるものである。ここで得られる中性子は、生命科学、物質・材料科学、原子核・素粒子物理など様々な最先端研究に利用される。
【０００３】
従来、中性子発生装置に用いられるターゲット材料には、ウラン、タンタル、タングステンなどの固体金属が用いられていた。MW級のパルス状陽子ビームが入射した場合には、核破砕反応及びターゲット容器への周期的な陽子ビーム入射により大規模な発熱が生じ、極めて高い温度上昇をもたらす。そのため、ターゲット容器及びターゲット材料の熱伝導作用のみでは、十分に熱エネルギを除去できなくなり、熱負荷のために、ターゲット容器強度の健全性が保持できない恐れがある。
【０００４】
これに対して、ターゲット材料に水銀などの液体金属を適用した中性子発生装置用液体金属ターゲットでは、前述の大規模な発熱をターゲット容器及びターゲット材料の熱伝導・熱伝達作用に加えて液体金属の流動により除去するため、熱負荷に対する構造強度の健全性が確保される見通しが得られてきた。
【０００５】
液体金属ターゲットに関して、液体金属の流動をシンプルかつ局所的な温度上昇が発生しないようにするために、特開平１１−２７３８９６号公報、特開２０００-８２５９８号公報や特開２０００-２４３５９７号公報などが提案されている。これらの方法では、核破砕反応及びターゲット容器への陽子ビーム入射による大規模な発生熱を、液体金属の流動により効率よく除去し、熱負荷の低減を得ることを目的としている。特に、特開２０００-２４３５９７号公報には液体金属の流動を陽子ビームの照射領域において均一になるように案内羽根を設けることが示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱負荷から構造強度の健全性を確保するために、従来提案されている中性子発生装置用液体金属ターゲットでは、核破砕反応により高温となる液体金属及び陽子ビーム入射により高温となるターゲット容器高温部を、液体金属流動の除熱作用により低温にし、熱負荷により発生する応力を緩和している。上述した特開平１１−２７３８９６号公報、特開２０００−８２５９８号公報や特開２０００-２４３５９７号公報では、液体金属流動の停留や再循環流を回避するように流動制御を行い、ターゲット容器及び液体金属の過剰な温度上昇が発生しないようにしている。又、特開２０００−２４３５９７号公報には液体金属の特定の流動については開示されていない。
【０００７】
ターゲット容器でも特に温度上昇が大きい部分は、陽子ビームが入射される陽子ビーム入射窓部である。陽子ビームエネルギが大きくなると、液体金属流動による除熱作用のみでは十分冷却できず、陽子ビーム入射窓部近傍で大きな熱応力を発生することが予想されており、ターゲット容器の健全性が維持できなくなる。ここで、熱応力の発生は、部材の高温部分と低温部分で熱膨張変形量が異なることに起因した変形ひずみによるものである。
【０００８】
本発明の目的は、液体金属を貯蔵するターゲット容器高温部を低温にする作用ばかりではなく、ターゲット容器における低温部分を温度上昇させることにより、高温となる陽子ビーム入射窓部と容器の低温部分との温度差を是正し熱応力を低減すると共に、構造における強度健全性を熱負荷に対して確保することのできる中性子発生装置用液体金属ターゲットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、核破砕反応で得られた大規模な熱エネルギ、及び陽子ビーム入射により高温状態になった陽子ビーム入射窓部の熱エネルギを液体金属の流動によりターゲット容器低温部へ導き、ターゲット容器低温部を温度上昇させ、陽子ビーム入射窓部とターゲット容器低温部の温度差を低下することにより、熱応力を低減するものである。
【００１０】
本発明においては、陽子ビームをターゲット容器内に貯蔵された液体金属に照射して核破砕反応により中性子を発生させると共に、前記液体金属を循環流動させる中性子発生装置用液体金属ターゲットにおいて、前記ターゲット容器内における前記液体金属の流動量が、前記陽子ビームの照射領域においてその入射側が該入射側の奥よりも多くなるように前記液体金属の流れを調整する調整手段を設けることができる。
【００１１】
又、本発明においては、陽子ビームをターゲット容器内に貯蔵された液体金属に照射して核破砕反応により中性子を発生させると共に、前記液体金属を循環流動させる中性子発生装置用液体金属ターゲットにおいて、前記ターゲット容器内における前記液体金属の供給量が、前記陽子ビームの照射領域においてその入射側に対してその奥側が多くなるようにすると共に、前記液体金属の流動方向が、前記陽子ビームの入射方向に対して対向する方向になるように前記液体金属の流れを調整する調整手段を設けることができる。
【００１２】
本発明は、陽子ビームを液体金属に照射して核破砕反応により中性子を発生させると共に、液体金属を熱媒体として流動させる中性子発生装置用液体金属ターゲットにおいて、液体金属を包括するターゲット容器内に、液体金属の循環流動を助長する開口部を有する流配板を設け、陽子ビームの照射領域かつ流配板に挟まれた領域を流れる液体金属の主流方向を、陽子ビーム入射方向に対向するようにするものであり、特に流配板のなす角度が９０度より大きく１８０度より小さくなるように、流配板に開口部を設けると共に、その面積分布を調整する事を特徴としている。
【００１３】
又、本発明における中性子発生装置用液体金属ターゲットは、液体金属を包括するターゲット容器内に、液体金属の循環流動を助長する整流板を複数設けるが、陽子ビームの照射領域より液体金属流入流路側に位置する整流板と陽子ビームの入射方向がなす角度が、陽子ビームの照射領域より液体金属流出流路側に位置する整流板と陽子ビームの入射方向がなす角度と異なるように設定させ、前記整流板をターゲット容器に設置することができる。
【００１４】
更に、本発明における中性子発生装置用液体金属ターゲットは、液体金属を包括するターゲット容器での、陽子ビームの入射部近傍を流れた液体金属をターゲット容器壁に導き、ターゲット容器壁に沿って下流側へ流動させるガイド板を設けた事、又、液体金属を包括するターゲット容器での、陽子ビームの入射部近傍を流れた液体金属の下流側ターゲット容器内部にフィンを設けた事、又、液体金属を包括するターゲット容器での、陽子ビームの入射部近傍を流れた液体金属の下流側ターゲット容器内部に突起物を設けた事、又、液体金属を包括するターゲット容器での液体金属との接触面に、液体金属に対してぬれ性のよい金属を塗膜する事、又、容器低温部を機械的に加熱することによっても、陽子ビーム入射窓と低温部分の温度差を低下でき、熱応力を低減することから液体金属を包括するターゲット容器を機械的に加熱する装置を備える事ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の対象となる中性子発生装置用液体金属ターゲットを有する中性子散乱施設を備えた中性子発生装置の構成図である。陽子射出器１１１から射出された陽子線は、陽子加速器１１２・シンクロトロン１１３により電流・周波数などが調整されエネルギを高めた後、中性子発生装置用液体金属ターゲット１１０が備えられる中性子散乱施設１１４へ入射する。中性子散乱施設１１４で発生した中性子は実験施設１１５に搬送され、生命科学、物質・材料科学、原子核・素粒子物理など様々な最先端研究に利用される。
【００１６】
図２は、中性子散乱施設１１４で中性子を発生させる中性子発生装置用液体金属ターゲット１１０と液体金属の循環経路とを有する概要図を示し、図３は図２のＡ−Ａ’断面図である。タンク２３に蓄えられている液体金属ｍは、ターゲット容器１の入口側フランジ２１ａ及び出口側フランジ２１ｂに連結している配管２２を介して、ポンプ２４の働きによりターゲット容器１へ流入及び流出が行われる。ターゲット容器１内部は液体金属ｍが循環しており、液体金属ｍに陽子ビームｐが入射すると核破砕反応ｒが発生し、中性子ｎが発生する。中性子ｎはターゲット容器１の外部に設置された減速材容器２５で収集される。
【００１７】
図４は、本発明の中性子発生装置用液体金属ターゲットの水平断面図である。ターゲット容器１は薄肉状の固体金属で形成されるが、特に、陽子ビームｐが入射する陽子ビーム入射窓部は、陽子ビームの照射加熱による発熱抑止及び容器による陽子エネルギの損失防止の観点から、極力薄肉化をする。液体金属ｍへ陽子ビームｐが照射されると核破砕反応が起こり、中性子が発生する。ターゲット容器１には入口側フランジ２１ａに接続された配管２２ａより液体金属ｍが流入し、ターゲット容器１内部に形成される流路に従った液体金属入口側流れｍａによって、液体金属ｍはターゲット容器１を流動した後、ターゲット容器１内部に形成される流路に従った液体金属出口側流れｍｂにより、出口側フランジ２１ｂに接続された配管２２ｂへ流出する。以上が中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構である。
【００１８】
本実施例では、ターゲット容器１の内部には、液体金属入口側流路に入口側流配板２ａを、また液体金属出口側流路に出口側流配板２ｂを配し、入口側流配板２ａ及び出口側流配板２ｂには開口部３を設け、液体金属ｍの循環を促進している。
【００１９】
図５は、図４のターゲット容器１におけるＢ−Ｂ’断面図である。ターゲット容器１は側壁を半円筒型とした偏平構造をしている。ターゲット容器１の上下面板は薄肉状にしているが、ターゲット容器１外部に設置する減速材容器で核破砕反応により発生した中性子を効率よく収集するためである。また、ターゲット容器１の上下面と、入口側流配板２ａ及び出口側流配板２ｂはほぼ直角に設置するが、容器上下面板は薄肉平板であることから特に変形しやすいため、入口側流配板２ａ及び出口側流配板２ｂは補強効果も兼ね備えている。
【００２０】
図６は図４における入口側流配板２ａのＣ−Ｃ’断面図及び、図７は図４における入口側流配板２ｂのＤ−Ｄ’断面図である。陽子ビームｐの入射方向上手側に、ターゲット容器１と流配板の間に液体金属流路を設けてあるが、これは陽子ビーム入射窓部近傍へ液体金属を流動し除熱するためである。特に本実施例を達成する１方法として、例えば、入口側流配板２ａの開口部３の面積比率は陽子ビームｐの入射方向下手側を徐々に大きくし、出口側流配板２ｂの開口部３の面積比率は陽子ビームｐの入射方向上手側を徐々に大きくなるように設定する。液体金属ｍは紙面垂直方向に開口部３を通過するが、上記方法より入口側流配板２ａと出口側流配板２ｂとで挟ませた範囲における液体金属流動の主流流れｍｃの方向を陽子ビームｐの入射方向に対して対向するようにし、具体的にはそのなす角度ｓｃが９０度より大きく１８０度より小さくすることである。
【００２１】
又、本実施例においては、ターゲット容器１内における液体金属の流動量が、陽子ビームＰの照射領域においてその入射側が該入射側の奥よりも多くなるように液体金属の流れを調整する出口側流配板２ｂが設けられている。
【００２２】
更に、本実施例においては、陽子ビームＰの照射領域におけるターゲット容器１内における液体金属の供給量が、陽子ビームＰの照射領域においてその入射側に対してその奥側が多くなるようにすると共に、液体金属の流動方向が、陽子ビームＰの入射方向に対して対向する方向になるように液体金属の流れを調整する入口側流配板２ａが設けられている。
【００２３】
これにより、核破砕反応により発生した大規模な熱エネルギを液体金属流動により陽子ビーム入射部近傍の容器側壁低温部へ導き熱伝達することができ、容器低温部温度を上昇させることで、高温状態である陽子ビーム入射窓部との温度差は低下する。すなわち、熱応力を低減でき、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００２４】
（実験例１）
図８は、中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例を示す断面図である。本実験例では実施例１にて示した中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構を備えており、液体金属ｍが流動している。
【００２５】
特に本実験例では、ターゲット容器１の内部には、液体金属ｍの循環を促進するために、薄板構造をした整流板４を複数設置しているが、陽子ビームの照射領域より液体金属流入流路側に位置する整流板４ｄと陽子ビームｐの入射方向がなす角度ｓｄが、陽子ビームの照射領域より液体金属流出流路側に位置する整流板４ｅと陽子ビームｐの入射方向がなす角度ｓｅと異なるように設定させる。
【００２６】
これにより、核破砕反応により発生した大規模な熱エネルギを液体金属流動により陽子ビーム入射部近傍の容器側壁低温部へ導き熱伝達することができ、容器低温部温度を上昇させることで、高温状態である陽子ビーム入射窓部との温度差は低下する。すなわち、熱応力を低減でき、第1の実施例と同等の効果を得られるため、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００２７】
（実験例２）
図９は、中性子発生装置用液体金属ターゲットの他の実験例を示す断面図である。本実験例においても実施例１にて示した中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構を備えており、液体金属ｍが流動している。
【００２８】
特に本実験例では、ターゲット容器１の内部にはガイド板５を設置するが、このガイド板は薄板構造とし、陽子ビーム入射窓部から熱エネルギを得た高温液体金属、あるいは核破砕反応により熱エネルギを得た高温液体金属が流れる流路に配する。ガイド板５の上流側は高温になった液体金属流入口として開口し、ガイド板５の後流側は液体金属ｍがターゲット容器１の側壁面とほぼ同形態とし、ターゲット容器壁面に沿った液体金属流路を形成させる。
【００２９】
ガイド板５を設置することにより、高温液体金属よりターゲット容器側壁低温部へ導き熱伝達することができる。また、ガイド板５は高温液体金属と低温液体金属の流路を分離でき、液体金属内での熱拡散を避けることで、高温液体金属が低温であるターゲット容器側壁面を効率よく流動可能になる。
【００３０】
これにより、高温液体金属よりターゲット容器側壁低温部へ効率よく熱伝達し、容器低温部の温度上昇より高温状態である陽子ビーム入射部近傍との温度差は低下する。すなわち、熱応力を低減でき、第1の実施例と同等の効果を得られるため、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００３１】
（実験例３）
図１０に中性子発生装置用液体金属ターゲットの他の実験例を示す断面図である。本実験例においても実施例１にて示したような、中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構を備えており、液体金属ｍが流動している。
【００３２】
特に本実験例では、ターゲット容器１の内部には、陽子ビーム入射窓部から熱エネルギを得た高温液体金属、あるいは核破砕反応により熱エネルギを得た高温液体金属が流れる流路に、複数のフィン６を設置する。例えば、図１０では、ターゲット容器長の１／３長さのフィンを容器低温部壁面部に３枚設置する。図１１には図１０におけるＥ−Ｅ'断面図を示すが、フィン６は鉛直水平方向に配している。ここで、フィンは板状構造物で変形しやすいため、中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本特性を損ねない程度に、フィンの大きさは設定する。なお、フィン６の表面に伝熱効果が向上するような加工を施すことも本発明の範疇である。
【００３３】
フィン６を設置することにより高温液体金属との接触面積を拡げることができるため、フィン６を介して高温液体金属よりターゲット容器低温部への熱伝達を強化できる。これより、低温部の温度上昇により高温状態になる陽子ビーム入射部との温度差は低下し、熱応力を低減でき、第1の実施例と同等の効果を得ることが出来るため、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００３４】
（実験例４）
図１２に本発明による中性子発生装置用液体金属ターゲットの他の実験例を示す断面図である。本実験例においても実施例１にて示したような、中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構を備えており、液体金属ｍが流動している。
【００３５】
特に本実験例では、ターゲット容器１の内部には、高温状態になった陽子ビーム入射窓部から熱エネルギを得た高温液体金属、あるいは核破砕反応により熱エネルギを得た高温液体金属が流れる流路のターゲット容器側壁に、複数の突起物７を設置する。例えば、図１２では、ターゲット容器長の１／３長さ区間の容器壁面部にわたって、突起物７を配している。ここで、突起物の大きさ及び個数は、中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本特性を損ねない程度に設定する。
【００３６】
複数の突起物７を設置することは、ターゲット容器１と高温液体金属との接触面積を大きくするとともに、液体金属の流れを乱流状態にする効果から熱伝達はさらに強化され、高温液体金属からターゲット容器低温部への熱伝達は強化できる。これより、低温部の温度上昇により高温状態になる陽子ビーム入射部との温度差は低下し、熱応力を低減でき、実施例１と同等の効果を得ることができるため、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００３７】
（実験例５）
図１３は、中性子発生装置用液体金属ターゲットの他の実験例を示す断面図である。本実験例においても実施例１にて示したような、中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構を備えており、液体金属ｍが流動している。
【００３８】
特に本実験例では、ターゲット容器１の内部には、高温状態になった陽子ビーム入射窓から熱エネルギを得た高温液体金属、あるいは核破砕反応により熱エネルギを得た高温液体金属が流れる流路に、液体金属に対してぬれ性のよい金属の薄膜８を塗膜する。例えば、図１３では、陽子ビーム入射窓からターゲット容器長の１／３長さ区間の容器壁面部にわたって、液体金属に対してぬれ性のよい金属の薄膜８を塗膜している。例えば、液体金属に水銀を選択した場合は、ぬれ性のよい金属としてニッケル及びニッケル合金などがある。
【００３９】
ここで、ぬれ性のよい金属薄膜８を塗膜することは、高温となる陽子ビーム入射窓部から液体金属への熱伝達、及び液体金属からターゲット容器低温部への熱伝達を強化できる。これより、高温部の温度低下及び低温部の温度上昇より陽子ビーム入射部と容器低温部との温度差は低下し、熱応力を低減でき、第1の実施例と同等の効果を得ることが出来るため、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００４０】
（実験例６）
図１４は、本発明による中性子発生装置用液体金属ターゲットの他の実験例を示す断面図である。本実験例においても実施例１にて示したような中性子発生装置用液体金属ターゲットの基本機構を備えており、液体金属ｍが流動している。
【００４１】
特に本実験例では、ターゲット容器１の外壁部には加熱器９を設置する。例えば、図１４では、ターゲット容器長の１／３長さ区間の容器外壁部にわたって、加熱器９を設置しており、電源１０から導線１１を介して電力は供給され、中性子発生装置用液体金属ターゲットの運転状態に応じて加熱器９は作動させる。
【００４２】
ここでターゲット容器低温部に加熱器を設置することは、核破砕反応及び陽子ビーム入射による大規模な発熱を利用せずとも、人工的に加熱することにより、低温部の温度上昇より陽子ビーム入射部近傍との温度差を低下させ、熱応力を低減でき、第1の実施例と同等の効果を得ることが出来るため、ターゲットの構造強度健全性を確保できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上、従来の中性子発生装置用液体金属ターゲットでは、核破砕反応及び陽子ビーム照射によりターゲット容器に熱負荷が生じる。しかし、本発明の如く、液体金属の特定の循環流動による高温状態になる陽子ビーム入射窓、あるいは核破砕反応により熱エネルギを得た高温液体金属からターゲット容器低温部への熱伝達、あるいは機械等による人工的な加熱作用とによって、低温部の温度上昇より陽子ビーム入射部近傍との温度差は低下し、熱応力を低減させることができるため、熱負荷に対して構造的に強度健全性を有した中性子発生装置用液体金属ターゲットを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中性子発生装置用液体金属ターゲットが設置される中性子散乱施設を有する中性子発生装置の構成図。
【図２】本発明に係る中性子発生装置用液体金属ターゲットと液体金属の循環装置とを有する構成図。
【図３】図２におけるＡ−Ａ’断面図。
【図４】本発明の中性子発生装置用液体金属ターゲットの実施例１における水平断面図。
【図５】図４におけるＢ−Ｂ'断面図。
【図６】図４における入口側流配板２ａのＣ−Ｃ'断面図。
【図７】図４における出口側流配板２ｂのＤ−Ｄ'断面図。
【図８】中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例１における水平断面図。
【図９】中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例２における水平断面図。
【図１０】中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例３における水平断面図。
【図１１】図１０におけるＥ−Ｅ'断面図。
【図１２】中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例４における水平断面図。
【図１３】中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例５における水平断面図。
【図１４】中性子発生装置用液体金属ターゲットの実験例６における水平断面図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel liquid metal target for a neutron generator that irradiates a liquid metal with a proton beam to generate neutrons by a spallation reaction and flows the liquid metal as a heat medium.
[0002]
[Prior art]
In the neutron generator, neutrons are generated by a nuclear fragmentation reaction by irradiating a liquid metal with a high-intensity proton beam. The neutrons obtained here are used for various cutting-edge research such as life science, material / material science, and nuclear / particle physics.
[0003]
Conventionally, solid materials such as uranium, tantalum, and tungsten have been used as target materials used in neutron generators. When a MW-class pulsed proton beam is incident, large-scale heat generation occurs due to the spallation reaction and periodic proton beam incidence on the target vessel, resulting in a very high temperature rise. For this reason, the thermal energy of the target container and the target material alone cannot be removed sufficiently, and the soundness of the target container may not be maintained due to the heat load.
[0004]
In contrast, in a liquid metal target for a neutron generator in which a liquid metal such as mercury is applied to the target material, the large-scale heat generation described above is added to the heat conduction and heat transfer action of the target container and the target material, and the liquid metal target. Since it is removed by flow, the prospect of ensuring the soundness of the structural strength against heat load has been obtained.
[0005]
Regard liquid metal target, in order to be simple and local temperature increase the flow of liquid metal does not occur, JP-A-11-273896, JP 2000-82598 and JP 2000-243597 JP etc. Has been proposed. These methods are intended to efficiently remove large-scale heat generated by the spallation reaction and the injection of a proton beam into the target vessel by the flow of liquid metal, thereby reducing the thermal load. In particular, in JP-A-2000-243597 it has been shown to provide a guide vane to be uniform in the irradiation region of the proton beam flow of the liquid metal.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to ensure the soundness of the structural strength from the heat load, the conventionally proposed liquid metal target for neutron generators includes a liquid metal that becomes high temperature by the nuclear fragmentation reaction and a high temperature part of the target container that becomes high temperature by proton beam incidence. The temperature is lowered by the heat removal action of the liquid metal flow, and the stress generated by the heat load is relaxed. Above JP-11-273896 discloses, in JP-A-2000-82598 and JP 2000-243597, performs flow control to avoid retention or recycle stream of the liquid metal flow, target vessel and the liquid An excessive temperature rise of the metal is prevented. Further, in JP-A-2000-243597 does not disclose a specific flow of the liquid metal.
[0007]
In the target container, the part where the temperature rise is particularly large is a proton beam incident window part into which the proton beam is incident. When the proton beam energy increases, it is expected that heat removal by liquid metal flow alone will not be enough to cool, and it is expected that large thermal stress will be generated near the proton beam entrance window, making it impossible to maintain the integrity of the target vessel . Here, the generation of thermal stress is due to deformation strain resulting from the difference in thermal expansion deformation amount between the high temperature portion and the low temperature portion of the member.
[0008]
The object of the present invention is not only to lower the temperature of the high-temperature part of the target container that stores the liquid metal, but also to raise the temperature of the low-temperature part of the target container, thereby increasing the temperature of the proton beam entrance window and the low-temperature part of the container. An object of the present invention is to provide a liquid metal target for a neutron generator capable of correcting the temperature difference and reducing thermal stress and ensuring the strength and soundness of the structure against a thermal load.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention guides the large-scale thermal energy obtained by the spallation reaction and the thermal energy of the proton beam entrance window that has been brought to a high temperature state due to the proton beam incidence to the target container low-temperature part by the flow of the liquid metal. The thermal stress is reduced by raising the temperature of the low temperature part and lowering the temperature difference between the proton beam entrance window part and the low temperature part of the target container.
[0010]
In the present invention , in a liquid metal target for a neutron generator that irradiates a liquid metal stored in a target container with a proton beam to generate neutrons by a nuclear fragmentation reaction and circulates and flows the liquid metal, the target container flow amount of the liquid metal in the inner is, the incident side Ru can Rukoto an adjusting means for adjusting the flow of the liquid metal to be larger than the depths of the entrance side in the irradiation region of the proton beam.
[0011]
Further, in the present invention , in the liquid metal target for a neutron generator that irradiates a liquid metal stored in a target container with a proton beam to generate neutrons by a nuclear fragmentation reaction and circulates and flows the liquid metal, The supply amount of the liquid metal in the target container is set so that the back side of the proton beam irradiation region is larger than the incident side in the irradiation region of the proton beam, and the flow direction of the liquid metal is the incident direction of the proton beam. Ru can Rukoto an adjusting means for adjusting the flow of the liquid metal so that the opposite directions against.
[0012]
The present invention irradiates a liquid metal with a proton beam to generate neutrons by a nuclear fragmentation reaction, and in a liquid metal target for a neutron generator for flowing a liquid metal as a heat medium, in a target container containing the liquid metal, A flow distribution plate having an opening for promoting circulation of the liquid metal is provided, and the main flow direction of the liquid metal flowing in the proton beam irradiation region and the region sandwiched between the flow distribution plates is opposed to the proton beam incident direction. to is intended, particularly as the angle of Nagarehai plate is smaller than the larger 180 degrees than 90 degrees, with an opening in the flow distribution plate, is characterized in that for adjusting the area of distribution.
[0013]
The liquid metal target for neutron generator of the present invention, a target container to cover the liquid metal, providing a plurality of rectifying plates that promote circulation flow of the liquid metal, but the proton beams liquid metal inflow flow path side than the irradiation area of the The angle between the rectifying plate located at the position of the proton beam and the incident direction of the proton beam is set to be different from the angle formed between the rectifying plate located at the liquid metal outflow channel side from the proton beam irradiation region and the incident direction of the proton beam. Ru can be installed a plate to the target container.
[0014]
Furthermore, the liquid metal target for neutron generator of the present invention, the target container to cover the liquid metal, the liquid metal flowing through the incident portion near the proton beam guided to the target vessel wall, downstream along the target vessel wall In the target container containing liquid metal, a fin is provided inside the target container on the downstream side of the liquid metal that has flowed in the vicinity of the incident portion of the proton beam. Protrusion is provided in the target container downstream of the liquid metal that has flowed in the vicinity of the incident portion of the proton beam, and the contact surface with the liquid metal in the target container that includes the liquid metal. In addition, the temperature difference between the proton beam entrance window and the low temperature part can be reduced by coating a metal with good wettability against the liquid metal and mechanically heating the low temperature part of the container. It can lower, Ru can comprise a device for mechanically heated target container to cover the liquid metal from reducing the thermal stress.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 1 is a configuration diagram of a neutron generator equipped with a neutron scattering facility having a liquid metal target for a neutron generator that is an object of the present invention. The proton beam emitted from the proton emitter 111 is adjusted in current and frequency by the proton accelerator 112 and synchrotron 113 to increase energy, and then enters the neutron scattering facility 114 provided with the liquid metal target 110 for the neutron generator. To do. Neutrons generated at the neutron scattering facility 114 are transported to the experimental facility 115 and used for various state-of-the-art research such as life science, materials / materials science, nuclear / particle physics.
[0016]
FIG. 2 is a schematic diagram including a liquid metal target 110 for a neutron generator that generates neutrons at the neutron scattering facility 114 and a circulation path of the liquid metal, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. The liquid metal m stored in the tank 23 flows into and out of the target container 1 by the action of the pump 24 through the pipe 22 connected to the inlet side flange 21a and the outlet side flange 21b of the target container 1. Is called. The liquid metal m circulates inside the target container 1, and when the proton beam p is incident on the liquid metal m, a nuclear fragmentation reaction r occurs and neutron n is generated. Neutrons n are collected in a moderator container 25 installed outside the target container 1.
[0017]
FIG. 4 is a horizontal sectional view of the liquid metal target for a neutron generator of the present invention. The target container 1 is formed of a thin solid metal. In particular, the proton beam incident window part into which the proton beam p is incident is used from the viewpoint of suppressing heat generation by irradiation heating of the proton beam and preventing loss of proton energy by the container. Reduce the thickness as much as possible. When the proton beam p is irradiated onto the liquid metal m, a nuclear fragmentation reaction occurs and neutrons are generated. The liquid metal m flows into the target container 1 from the pipe 22a connected to the inlet side flange 21a, and the liquid metal m is moved into the target container by the liquid metal inlet side flow ma according to the flow path formed inside the target container 1. After flowing 1, the liquid metal outlet side flow mb follows the flow path formed inside the target container 1 and flows out to the pipe 22 b connected to the outlet side flange 21 b. The above is the basic mechanism of the liquid metal target for a neutron generator.
[0018]
In the present embodiment, an inlet-side flow distribution plate 2a is arranged in the liquid metal inlet-side flow channel, and an outlet-side flow distribution plate 2b is arranged in the liquid metal outlet-side flow channel in the target container 1, so that the inlet-side flow distribution is arranged. An opening 3 is provided in the plate 2a and the outlet side flow distribution plate 2b to promote circulation of the liquid metal m.
[0019]
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in the target container 1 of FIG. The target container 1 has a flat structure with a semi-cylindrical side wall. Although the upper and lower plates of the target container 1 are made thin, the neutrons generated by the nuclear fragmentation reaction in the moderator container installed outside the target container 1 are efficiently collected. The upper and lower surfaces of the target container 1 and the inlet-side flow distribution plate 2a and the outlet-side flow distribution plate 2b are installed at a substantially right angle. However, since the upper and lower surface plates of the container are thin flat plates, they are particularly easily deformed. The distribution board 2a and the outlet side flow distribution board 2b also have a reinforcing effect.
[0020]
6 is a cross-sectional view taken along line CC ′ of the inlet-side flow distribution plate 2a in FIG. 4, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line DD ′ of the inlet-side flow distribution plate 2b in FIG. A liquid metal flow path is provided between the target container 1 and the flow distribution plate on the upper side in the direction of incidence of the proton beam p. This is to remove the heat by flowing the liquid metal near the proton beam incident window. In particular, as one method for achieving the present embodiment, for example, the area ratio of the opening 3 of the inlet-side flow distribution plate 2a is gradually increased on the lower side in the incident direction of the proton beam p, and the opening of the outlet-side flow distribution plate 2b is increased. The area ratio of 3 is set so that the upper side in the incident direction of the proton beam p gradually increases. Although the liquid metal m passes through the opening 3 in the direction perpendicular to the paper surface, the direction of the main flow mc of the liquid metal flow in the range sandwiched between the inlet-side flow distribution plate 2a and the outlet-side flow distribution plate 2b by the above method is In other words, the beam sc is opposed to the incident direction of the beam p. Specifically, the formed angle sc is larger than 90 degrees and smaller than 180 degrees.
[0021]
Further, in this embodiment, the exit side for adjusting the flow of the liquid metal so that the amount of flow of the liquid metal in the target container 1 is larger in the irradiation region of the proton beam P than in the incident side. A flow distribution plate 2b is provided.
[0022]
Furthermore, in the present embodiment, the supply amount of the liquid metal in the target container 1 in the irradiation region of the proton beam P is set so that the back side is larger than the incident side in the irradiation region of the proton beam P. An inlet-side flow distribution plate 2a for adjusting the flow of the liquid metal is provided so that the flow direction of the liquid metal is opposite to the incident direction of the proton beam P.
[0023]
As a result, large-scale thermal energy generated by the spallation reaction can be transferred to the container side wall near the proton beam incident part by the liquid metal flow and transferred to the container. The temperature difference from the proton beam entrance window is lower. That is, thermal stress can be reduced and the structural strength of the target can be ensured.
[0024]
(Experimental Example 1)
Figure 8 is a sectional view showing an experimental example of the liquid metal target for neutron generator. In this experiment example has a basic mechanism of the liquid metal target for neutron generator device shown in Example 1, the liquid metal m is flowing.
[0025]
In particular, in this experiment example, in the interior of the target vessel 1, to facilitate the circulation of the liquid metal m, although the current plate 4 has a thin plate structure are a plurality of installation, the proton beam the liquid metal flowing from the irradiation area of the An angle sd formed between the rectifying plate 4d positioned on the flow channel side and the incident direction of the proton beam p is an angle se formed between the rectifying plate 4e positioned on the liquid metal outflow channel side from the proton beam irradiation region and the incident direction of the proton beam p. Let them be set differently.
[0026]
As a result, large-scale thermal energy generated by the spallation reaction can be transferred to the container side wall near the proton beam incident part by the liquid metal flow and transferred to the container. The temperature difference from the proton beam entrance window is lower. That is, since the thermal stress can be reduced and the same effect as in the first embodiment can be obtained, the structural strength soundness of the target can be ensured.
[0027]
(Experimental Example 2)
Figure 9 is a cross-sectional view illustrating another experiment example of the liquid metal target for neutron generator. Also has a basic mechanism of the liquid metal target for neutron generator device shown in Example 1 in the present experiment example, the liquid metal m is flowing.
[0028]
In particular, the present experiment example, the inside of the target vessel 1 is installed a guide plate 5, the guide plate is a thin plate structure, the hot liquid metal to obtain thermal energy from the proton beam entrance window unit, or by spallation It arranges in the channel through which the high temperature liquid metal which acquired thermal energy flows. The upstream side of the guide plate 5 opens as a liquid metal inlet that has become hot, and the downstream side of the guide plate 5 has the liquid metal m substantially in the same shape as the side wall surface of the target container 1, and the liquid along the target container wall surface. A metal channel is formed.
[0029]
By installing the guide plate 5, heat can be guided from the high temperature liquid metal to the low temperature portion on the side wall of the target container. Further, the guide plate 5 can separate the flow path of the high-temperature liquid metal and the low-temperature liquid metal, and can efficiently flow on the side wall surface of the target container where the high-temperature liquid metal is at a low temperature by avoiding thermal diffusion in the liquid metal. .
[0030]
As a result, heat is efficiently transferred from the high temperature liquid metal to the low temperature part on the side wall of the target container, and the temperature difference from the vicinity of the proton beam incident part which is in a high temperature state lowers than the temperature rise in the low temperature part of the container. That is, since the thermal stress can be reduced and the same effect as in the first embodiment can be obtained, the structural strength soundness of the target can be ensured.
[0031]
(Experimental Example 3)
It is a cross-sectional view illustrating another experiment example of the liquid metal target for neutron generator in FIG. 10. Also as shown in Example 1 in the present experiment example, provided with a basic mechanism of the liquid metal target for neutron generator, the liquid metal m is flowing.
[0032]
In particular, in this experiment example, in the interior of the target vessel 1, the proton beam incident window hot liquid metal to obtain thermal energy from or to the spallation reaction flow path through which the hot liquid metal to obtain a thermal energy by a plurality The fin 6 is installed. For example, in FIG. 10, three fins each having a length of 1/3 of the target container length are installed on the wall surface of the container low-temperature part. FIG. 11 shows a cross-sectional view taken along the line EE ′ in FIG. 10, and the fins 6 are arranged in the vertical horizontal direction. Here, since the fin is a plate-like structure and is easily deformed, the size of the fin is set to such an extent that the basic characteristics of the liquid metal target for a neutron generator are not impaired. Note that it is also within the scope of the present invention to apply a process that improves the heat transfer effect on the surface of the fin 6.
[0033]
Since the contact area with the high-temperature liquid metal can be increased by installing the fins 6, heat transfer from the high-temperature liquid metal to the target container low-temperature portion can be enhanced via the fins 6. As a result, the temperature difference with the proton beam incident part that becomes a high temperature state due to the temperature rise in the low temperature part is reduced, the thermal stress can be reduced, and the same effect as in the first embodiment can be obtained. Strength and soundness can be secured.
[0034]
(Experimental Example 4)
It is a cross-sectional view illustrating another experiment example of the liquid metal target neutron generator according to the present invention in FIG. 12. Also as shown in Example 1 in the present experiment example, provided with a basic mechanism of the liquid metal target for neutron generator, the liquid metal m is flowing.
[0035]
In particular, in this experiment example, in the interior of the target vessel 1, flows hot liquid metal to obtain a thermal energy by the high temperature liquid metal or spallation, give the heat energy from the proton beam entrance window portion becomes a high temperature state A plurality of protrusions 7 are installed on the target container side wall of the flow path. For example, in FIG. 12, the protrusion 7 is arranged over the container wall surface part of the 1/3 length section of the target container length. Here, the size and number of protrusions are set to such an extent that the basic characteristics of the liquid metal target for a neutron generator are not impaired.
[0036]
The installation of the plurality of protrusions 7 increases the contact area between the target container 1 and the high-temperature liquid metal, and further enhances heat transfer from the effect of making the flow of the liquid metal turbulent. Heat transfer to the target vessel cold section can be enhanced. As a result, the temperature difference from the proton beam incident part that becomes a high temperature state due to the temperature rise in the low temperature part is reduced, the thermal stress can be reduced, and the same effect as in Example 1 can be obtained. Can be secured.
[0037]
(Experimental Example 5)
Figure 13 is a cross-sectional view illustrating another experiment example of the liquid metal target for neutron generator. Also as shown in Example 1 in the present experiment example, provided with a basic mechanism of the liquid metal target for neutron generator, the liquid metal m is flowing.
[0038]
In particular, in this experiment example, in the interior of the target vessel 1, the flow through which hot liquid metal to obtain a thermal energy by the high temperature liquid metal or spallation, give the heat energy from the proton beam entrance window became hot state A metal thin film 8 having good wettability with respect to the liquid metal is coated on the path. For example, in FIG. 13, a metal thin film 8 having good wettability with respect to liquid metal is coated from the proton beam entrance window to the vessel wall surface portion of the 容器 length of the target vessel length. For example, when mercury is selected as the liquid metal, nickel and a nickel alloy are examples of metals with good wettability.
[0039]
Here, coating the metal thin film 8 with good wettability can enhance the heat transfer from the proton beam incident window that becomes high temperature to the liquid metal and the heat transfer from the liquid metal to the low temperature portion of the target container. As a result, the temperature difference between the proton beam incident part and the container low-temperature part is lower than the temperature drop in the high-temperature part and the temperature rise in the low-temperature part, the thermal stress can be reduced, and the same effect as in the first embodiment can be obtained. Therefore, the structural strength of the target can be ensured.
[0040]
(Experimental Example 6)
Figure 14 is a cross-sectional view illustrating another experiment example of the liquid metal target neutron generator according to the present invention. Also it has a basic mechanism of the neutron generator for liquid metal target as shown in Example 1 in the present experiment example, the liquid metal m is flowing.
[0041]
In particular, in this experiment example, the outer wall of the target vessel 1 is installed a heater 9. For example, in FIG. 14, the heater 9 is installed over the container outer wall part of the 1/3 length section of the target container length, and power is supplied from the power source 10 through the lead wire 11, and the liquid metal for the neutron generator The heater 9 is operated according to the operation state of the target.
[0042]
Here, the installation of the heater in the low temperature part of the target vessel means that the proton beam is injected from the temperature rise in the low temperature part by artificial heating without using the large-scale heat generation due to the nuclear fragmentation reaction and the proton beam injection. The temperature difference from the vicinity of the portion can be reduced, the thermal stress can be reduced, and the same effect as in the first embodiment can be obtained, so that the structural strength soundness of the target can be ensured.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, in the conventional liquid metal target for a neutron generator, a thermal load is generated in the target container by the nuclear fragmentation reaction and the proton beam irradiation. However, as in the present invention, a proton beam entrance window that becomes a high temperature state due to a specific circulation flow of the liquid metal, a heat transfer from the high temperature liquid metal obtained thermal energy by the nuclear fragmentation reaction to the low temperature portion of the target vessel, a machine, etc. Due to the artificial heating action caused by, the temperature difference from the vicinity of the proton beam incident part decreases from the temperature rise in the low temperature part, and thermal stress can be reduced. The liquid metal target for a neutron generator can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a neutron generator having a neutron scattering facility where a liquid metal target for a neutron generator of the present invention is installed.
FIG. 2 is a configuration diagram having a liquid metal target for a neutron generator and a liquid metal circulation device according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
FIG. 4 is a horizontal sectional view of a liquid metal target for a neutron generator according to the first embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
6 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of the inlet-side flow distribution plate 2a in FIG. 4;
7 is a DD ′ cross-sectional view of the outlet-side flow distribution plate 2b in FIG. 4;
Horizontal sectional view in Figure 8 Experimental Example 1 of the liquid metal target for neutron generator.
Horizontal sectional view of the experimental example 2 of FIG. 9 Liquid metal target for neutron generator.
Horizontal sectional view in FIG. 10 Experimental Example 3 of the liquid metal target for neutron generator.
11 is a cross-sectional view taken along line EE ′ in FIG.
Horizontal sectional view in FIG. 12 Experimental Example 4 of the liquid metal target for neutron generator.
[13] horizontal sectional view of the experimental example 5 of the liquid metal target for neutron generator.
[14] horizontal sectional view of the experimental example 6 of liquid metal target for neutron generator.

Claims

In a liquid metal target for a neutron generator that irradiates a liquid metal stored in a target container to generate neutrons by a nuclear fragmentation reaction and circulates and flows the liquid metal as a heat medium. A flow distribution plate is provided on the inflow side and the outflow side of the liquid metal across the proton beam irradiation portion, and the flow distribution plate has a flow direction of the liquid metal between the inflow side and the outflow side, A liquid metal target for a neutron generator, wherein an opening is provided so as to face the direction of incidence of the proton beam.

In a liquid metal target for a neutron generator that irradiates a liquid metal stored in a target container to generate neutrons by a nuclear fragmentation reaction and circulates and flows the liquid metal as a heat medium. A flow distribution plate is provided on the inflow side and the outflow side of the liquid metal with the proton beam irradiation portion interposed therebetween, and the flow distribution plate has the inflow side on the back side of the liquid with respect to the incident side of the proton beam. The metal supply amount is increased, and openings are provided on the outflow side so that the outflow amount of the liquid metal is larger on the incident side of the proton beam than the back side. Liquid metal target for neutron generators.