JP4392098B2

JP4392098B2 - 中性子散乱施設用ターゲット

Info

Publication number: JP4392098B2
Application number: JP2000015826A
Authority: JP
Inventors: 竜太郎日野; 雅紀神永; 秀孝木下; 則明安保; 敦彦寺田; 博幸内田
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2020-01-25
Also published as: JP2001210496A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高エネルギー陽子が液体金属に衝突したときの核破砕反応によって中性子を発生させ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３は中性子を利用した種々の物性研究を行うための中性子散乱施設の一例であり、この中性子散乱施設では、陽子出射器１から出射する陽子を、線形加速器２により加速して蓄積リング３へ入射させ、該蓄積リング３において偏向電磁石により陽子の軌道を曲げて周回させつつ、高周波電流で必要エネルギーになるまで陽子を増速する。
【０００３】
更に、必要エネルギーとなった陽子を蓄積リング３からターゲット４へ出射して、該ターゲット４内に抱持した水銀などの液状重金属に陽子を衝突させ、核破砕反応（スポレーション反応）により発生する高速中性子を、減速材容器５内に抱持した液体水素（２０Ｋ、１．５ＭＰａ）などの減速材に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、これらをビームライン６を介してラボ７へ導くようにしている。
【０００４】
図４は従来の中性子散乱施設用ターゲットの一例を示すもので、この中性子散乱施設用ターゲットは、略水平に進行する陽子ビームＰに対向するように配置した容器本体８と、容器本体８の内面下側寄り部分に左右縁部が連なり且つ容器本体８の基端部分から先端近傍部分へ延びる仕切板９とを備えている。
【０００５】
容器本体８の基端面には、容器本体８の内面と仕切板９の下面とで囲まれる空間である液状重金属往路１０に容器本体８の外部から連通する流入口１１と、容器本体８の内面と仕切板９の上面とで囲まれる空間である液状重金属復路１２から容器本体８の外部へ連通する流出口１３が設けられている。
【０００６】
流入口１１には、ポンプ１４の吐出口が接続され、流出口１３には、熱交換器１５を介してポンプ１４の吸入口が接続されており、上記のポンプ１４、流入口１１、液状重金属往路１０、液状重金属復路１２、流出口１３、及び熱交換器１５で構成される閉ループ内には、液状重金属として水銀Ｍが充填されている。
【０００７】
図４に示す中性子散乱施設用ターゲットでは、液状重金属往路１０から容器本体８の内部先端へ流入する水銀Ｍと陽子との衝突によって高速中性子を発生させ、また、核破砕反応により入熱を受ける水銀Ｍを、液状重金属復路１２から熱交換器１５へ導入して、水銀Ｍの冷却を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示す中性子散乱施設用ターゲットにおいては、流入口１１に供給される水銀Ｍの全量が、液状重金属往路１０から容器本体８の内部先端を経て液状重金属復路１２へ折り返す流れを形成するので、容器本体８の内部先端近傍に澱みや再循環流Ｒが発生しやすく、これにより、水銀Ｍが継続的に滞留して局所的な温度上昇（ホットスポット）が生じることがある。
【０００９】
また、容器本体８に対して大流量の水銀Ｍを連続的に流通させることにより、核破砕反応に起因する発生熱の除去を図っているため、水銀Ｍを循環させるポンプ１４や、熱交換器１５などの冷却手段への負担がきわめて大きく、よって、発生熱の大きな核破砕反応に対応することが困難であった。
【００１０】
本発明は上述した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液状重金属の流れを内部の全般にわたって形成可能な中性子散乱施設用ターゲットを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の中性子散乱施設用ターゲットでは、略水平に進行する陽子ビームが先端部に入射し得るように配置した容器本体と、容器本体の内面一側寄り部分に上下縁部が連なり且つ左右に間隔を隔てて容器本体基端側から先端側に向かって徐々に容器本体中心寄りへ湾曲する複数の往路案内羽根と、容器本体の内面他側寄り部分に上下縁部が連なり且つ左右に間隔を隔てて容器本体基端側から先端側に向かって徐々に容器本体中心寄りへ湾曲する複数の復路案内羽根と、容器本体外面との間に空隙が形成されるように容器本体を被覆する容器中間殻と、該容器中間殻外面との間に空隙が形成されるように容器中間殻を被覆する容器外殻とを備え、外部から容器本体内の往路案内羽根側へ液状重金属を流入させる液状重金属流入口及び容器本体内の復路案内羽根側から外部へ液状重金属を流出させる液状重金属流出口を、容器本体の基端部に設け、前記容器本体外面と容器中間殻との間の空隙にヘリウムガスを充填し、前記容器中間殻外面と容器外殻との間の空隙に重水を流通させるよう構成し、前記陽子ビームが入射する外面側を、前記容器本体と容器中間殻と容器外殻とからなる三重容器構造としている。
【００１２】
本発明の中性子散乱施設用ターゲットにおいては、液状重金属流入口から容器本体先端に向かって流れる液状重金属を、容器本体内の一側寄りに設けた複数の往路案内羽根で整流するとともに、容器本体先端から液状重金属流出口に向かって流れる液状重金属を、容器本体内の他側寄りに設けた複数の復路案内羽根で整流して、容器本体内における液状重金属の澱みや再循環流の発生を抑止する。
【００１３】
また、容器中間殻外面と容器外殻との間の空隙を流通する重水により、核破砕反応の発生熱を除去して、容器本体、容器中間殻、容器外殻、及び液状重金属の熱負荷を軽減し、液状重金属を循環させるポンプや、熱交換器などの冷却手段への負担も小さくすることに加え、液状重金属が流通する容器本体を、容器中間殻及び容器外殻により二重に被覆し、前記容器本体と容器中間殻と容器外殻とからなる三重容器構造として、容器本体の破損に起因した液状重金属の外部への漏洩を防止する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１及び図２は本発明の中性子散乱施設用ターゲットの実施の形態の一例を示すもので、この中性子散乱施設用ターゲットは、略水平に進行する陽子ビームＰが先端部に入射し得るように配置した薄肉状の容器本体３１と、該容器本体３１外面との間に空隙３２が形成されるように容器本体３１を被覆する薄肉状の容器中間殻３３と、該容器中間殻３３外面との間に空隙３４が形成されるように容器中間殻３３を被覆する薄肉状の容器外殻３５と、容器本体３１内部に設けた往路案内羽根３６ａ〜３６ｄ及び復路案内羽根３７ａ〜３７ｄとを備え、前記の容器本体３１内の一側寄り部分を液状重金属往路３８とし、また、容器本体３１内の他側寄り部分を液状重金属復路３９としている。
【００１６】
容器本体３１の基端部には、外部から液状重金属往路３８へ水銀Ｍを流入させるための液状重金属流入口４０と、液状重金属復路３９から外部へ水銀Ｍを流出させるための液状重金属流出口４１とが独立して設けられている。
【００１７】
容器本体３１及び容器中間殻３３の基端部は、互いに密着して空隙３２の基端部分を閉止させており、当該空隙３２には、ヘリウム（Ｈｅ）ガスが充填されている。
【００１８】
また、容器中間殻３３と容器外殻３５との基端部は、相互に密着して空隙３４の基端部分を閉止させており、冷却材供給流路（図示せず）により容器本体３１外部から空隙３４に重水が送給され且つ冷却材排出流路（図示せず）により空隙３４内の重水が容器本体３１外部へ排出されるようになっている。
【００１９】
上記の空隙３４には、容器外殻３５内面と容器中間殻３３外面に連なるガイド部材（図示せず）が適宜の位置に設けられており、このガイド部材によって、冷却材供給流路から冷却材排出流路への重水の短絡発生を防止している。
【００２０】
往路案内羽根３６ａ〜３６ｄは、前記の液状重金属往路３８内に設けられ、上下縁部が容器本体３１の内面に連なり且つ左右に間隔を隔てて容器本体３１の基端側から先端側へ向かって徐々に容器本体３１中心寄りへ湾曲している。
【００２１】
復路案内羽根３７ａ〜３７ｄは、前記の液状重金属復路３９内に設けられ、上下縁部が容器本体３１の内面に連なり且つ左右に間隔を隔てて容器本体３１の基端側から先端側へ向かって徐々に容器本体３１中心寄りへ湾曲している。
【００２２】
これらの案内羽根３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３７ｄは、容器本体３１の補強材になっている。
【００２３】
更に、容器本体３１の基端部中心には、容器外殻３５、容器中間殻３３、容器本体３１を透過して往路案内羽根３６ａ〜３６ｄと復路案内羽根３７ａ〜３７ｄの間を進行する陽子を遮断するためのビームストッパ４２が設置されている。
【００２４】
図１及び図２に示す中性子散乱施設用ターゲットにおいて、中性子を発生させる際には、容器本体３１外部から重水を、冷却材供給流路に連続的に供給するとともに、空隙３４を流通する重水を、冷却材排出流路から容器本体３１外部へ連続的に排出させる。
【００２５】
また、容器本体３１外部から水銀Ｍを、液状重金属流入口４０へ連続的に送給するとともに、液状重金属往路３８を経て液状重金属復路３９に流入する水銀Ｍを、液状重金属流出口４１から容器本体３１外部に連続的に排出させる。
【００２６】
更に、陽子ビームＰを照射すると、容器外殻３５、容器中間殻３３、容器本体３１を透過する陽子が、液状重金属往路３８から液状重金属復路３９へと流れる水銀Ｍに衝突し、中性子が発生する。
【００２７】
このように、図１及び図２に示す中性子散乱施設用ターゲットでは、液状重金属往路３８を容器本体３１先端に向かって流れる水銀Ｍを、複数の往路案内羽根３６ａ〜３６ｄにより整流し、液状重金属復路３９を液状重金属流出口４１に向かって流れる水銀Ｍを、複数の復路案内羽根３７ａ〜３７ｄにより整流するので、容器本体３１内部先端における水銀Ｍの澱みや再循環流の発生が抑止され、澱みなく流動する均一性の高い水銀Ｍの流れが、容器本体３１の内部全般にわたって形成される。
【００２８】
よって、水銀Ｍの滞留に起因した温度上昇が回避され、容器本体３１に再循環などによるエロージョンが生じない。
【００２９】
また、往路案内羽根３６ａ〜３６ｄ、あるいは復路案内羽根３７ａ〜３７ｄの間隔比の変更によって、水銀Ｍの流量調整を行なうことができる。
【００３０】
更に、空隙３４を流通する重水により、核破砕反応の発生熱を除去するので、容器本体３１、容器中間殻３３、容器外殻３５、及び水銀Ｍの熱負荷が軽減され、水銀Ｍを循環させるポンプ１４や、熱交換器１５（図４参照）などの冷却手段への負担も小さくなる。
【００３１】
更にまた、上記の熱負荷の軽減、及び、案内羽根３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３７ｄが容器本体３１の補強材になっていることによって、容器本体３１、容器中間殻３３、容器外殻３５の薄肉化が可能になり、中性子の発生効率の向上を図ることができる。
【００３２】
これに加えて、水銀Ｍが流通する容器本体３１を、容器中間殻３３、容器外殻３５により二重に被覆しているので、容器本体３１の破損に起因した水銀Ｍの外部への漏洩を防止することができる。
【００３３】
なお、本発明の中性子散乱施設用ターゲットは上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の中性子散乱施設用ターゲットによれば、下記のような種々の優れた効果を奏し得る。
【００３５】
（１）液状重金属流入口から容器本体の内部先端に向かって流れる液状重金属を、容器本体内の一側寄りに設けた複数の往路案内羽根で整流し、また、容器本体の内部先端から液状重金属流出口に向かって流れる液状重金属を、容器本体内の他側寄りに設けた複数の復路案内羽根で整流し、容器本体内における液状重金属の澱みや再循環流の発生を抑止するので、液状重金属の滞留に起因した温度上昇を回避することができ、容器本体の内面に再循環などに起因したエロージョンが生じない。
【００３６】
（２）容器中間殻外面と容器外殻との間の空隙を流通する重水により、核破砕反応の発生熱を除去しているので、容器本体、容器中間殻、容器外殻、及び液状重金属の熱負荷が軽減され、液状重金属を循環させるポンプや、熱交換器などの冷却手段への負担も小さくなることに加え、液状重金属が流通する容器本体を、容器中間殻及び容器外殻により二重に被覆し、前記容器本体と容器中間殻と容器外殻とからなる三重容器構造としているので、容器本体の破損に起因した液状重金属の外部への漏洩を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中性子散乱施設用ターゲットの実施の形態の一例を示す一部切断斜視図である。
【図２】本発明の中性子散乱施設用ターゲットの実施の形態の一例を示す水平断面図である。
【図３】中性子散乱施設の一例を示す概念図である。
【図４】従来の中性子散乱施設用ターゲットの一例を示す概念図である。
【符号の説明】
３１容器本体
３２空隙
３３容器中間殻
３４空隙
３５容器外殻
３６ａ〜３６ｄ往路案内羽根
３７ａ〜３８ｄ復路案内羽根
４０液状重金属流入口
４１液状重金属流出口
Ｍ水銀（液状重金属）
Ｐ陽子ビーム

Claims

略水平に進行する陽子ビームが先端部に入射し得るように配置した容器本体と、容器本体の内面一側寄り部分に上下縁部が連なり且つ左右に間隔を隔てて容器本体基端側から先端側に向かって徐々に容器本体中心寄りへ湾曲する複数の往路案内羽根と、容器本体の内面他側寄り部分に上下縁部が連なり且つ左右に間隔を隔てて容器本体基端側から先端側に向かって徐々に容器本体中心寄りへ湾曲する複数の復路案内羽根と、容器本体外面との間に空隙が形成されるように容器本体を被覆する容器中間殻と、該容器中間殻外面との間に空隙が形成されるように容器中間殻を被覆する容器外殻とを備え、外部から容器本体内の往路案内羽根側へ液状重金属を流入させる液状重金属流入口及び容器本体内の復路案内羽根側から外部へ液状重金属を流出させる液状重金属流出口を、容器本体の基端部に設け、前記容器本体外面と容器中間殻との間の空隙にヘリウムガスを充填し、前記容器中間殻外面と容器外殻との間の空隙に重水を流通させるよう構成し、前記陽子ビームが入射する外面側を、前記容器本体と容器中間殻と容器外殻とからなる三重容器構造としたことを特徴とする中性子散乱施設用ターゲット。