JP4568850B2 - インバータ式核破砕ターゲットシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核破砕ターゲットシステムの１次系冷却システムに関するものである。特に、本発明は、核破砕ターゲットの１次系システムを構成するターゲットの構造に関するものであり、そのターゲット窓部の交換作業が他の配管の切断なしに容易に行えるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の核破砕ターゲットシステムの１次系冷却システムにおいては、配管系で循環ループを構成し、その配管に様々な機器を取り付けるシステムであった。
【０００３】
従来の核破砕ターゲットシステムは、図６に示されるように、鉄遮蔽体内に設けられたヘリウムガス雰囲気の室中にターゲット容器が収納され、この容器内に入れられた被照射試験片に陽子ビームが容器壁を透過して照射されるが、この容器は循環使用される鉛ビスマスターゲットで冷却されている。この鉛ビスマス冷却系では、ダンプタンクからの冷媒が、ターゲット容器を冷却後、冷却器で冷却され、膨張タンク、流量計及びポンプを備えた配管構造を経てターゲット容器の冷却に循環使用される。このような従来の冷却システムにおいては配管により冷却材の循環ループを構成するためにその配管構造が複雑であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
核破砕ターゲットシステムの窓部は、破損を防ぐために定期的に交換される必要がある。この際に従来のシステム装置のように配管系でループを構成した場合は、その配管の切り離しを数カ所で行わなければならず、そのシステム装置で使用される放射性物質の漏洩の危険性を持っていた。又そのシステム装置の運転中においても、配管を簡単に切り離すための接合部を有しているため、その接合部からの放射性物質の漏洩の危険性も多い。更に又、そのシステム装置の１次系システムの交換作業においては、システムが大きいために時間とコストがかかることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点に鑑み、核破砕ターゲットシステムの１次系システムの構成を、窓部を交換する際に切り離しのために必要となる接続部を１カ所に限定したコンパクトなユニットとすることにより問題を解決するものである。
【０００６】
即ち、本発明においては、流体（液体金属）を流す配管を二重管とし、窓部でセンターリターンする流路構成にすることにより、外観上は１本の配管で構成されたものとなる。そして、この外観上一本に見える部分（二重配管部）に流体駆動用電磁ポンプと流量測定用の電磁流量計を備えて、この電磁ポンプ及び電磁流量計を備えたダクト（二重配管部）がこれらの装置から抜き差しが出来る様にすることによって問題を解決できる。
【０００７】
具体的には、本発明の核破砕ターゲットシステムは、
（１） 陽子ビームが入射される窓部、液体金属用のポンプ及びその流量計を有する二重管（ａ）、並びに一端が前記窓部に隣接し、その他端がダンプタンク兼熱交換器の底部に達している前記二重管内に設けられた断熱性内管（ｂ）を備えたアンプル状キャプセル型の１次系の破砕ターゲットシステムと、
（２） 前記ダンプタンク兼熱交換器の下部を冷却するための冷却液を収容し、その冷却液を循環して冷却するための循環管を有する冷却タンクを備えた２次系システムとから構成され、前記ポンプにより、陽子ビームの入射により加熱された液体金属を、前記断熱性内管を経てダンプタンク兼熱交換器底部に供給して前記冷却タンクにおいて冷却後に前記窓部に循環することからなるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ターゲットシステムの１次系システムにおいては、陽子がターゲット用液体金属に入射されると、この部分で大きな発熱がある。この熱を除熱しないと液体金属の温度が上昇して、耐熱温度を超えてしまう。そこで、ターゲットの液体金属が流れる流路を二重管とし、低温側を外にして、液体がターゲット部で折り返して中心部を流れて行けば、材料の耐食上、耐圧上有利に働き、高温になった液体が２重管の中心側を流れて行くことになる。又、二重管の内管を断熱構造にしておけば、内管を通じて内側の熱が二重管の外管側の流体に熱交換されずに、ダンプタンク兼熱交換器の伝熱面へと導かれることになる。そこで、一次系の除熱を確保する為、ダンプタンク兼熱交換容器が大きくなっている。
【０００９】
本発明におけるターゲットシステムの１次系システム（液体金属ターゲットシステム）及び２次系システム（液体金属ターゲットの冷却システム）からなるターゲットキャプセルの基本的条件と基本的コンセプトは、次のとおりである。
【００１０】
１．基本的条件
（１）液体金属ターゲットは原子数密度の大きいＰｂをベースにした合金が選定され、その中で第一候補はＰｂ−Ｂｉである。
【００１１】
（２）陽子ビームによるＰｂ−Ｂｉへの入熱は６０％〜７０％である。
（３）液体金属ターゲットの流速は１ｍ／ｓ程度とする。
（４）Ｐｂ−ＢｉのＢｉは放射化し、²¹⁰Ｐｏ（放射性毒物）を発生するので、Ｐｂ−Ｂｉを最小容積にする。
【００１２】
（５）ループの接合は誘導放射場のため、困難であり、簡易に交換できる構造とする。
（６）Ｆｅ遮蔽体の厚さは３ｍ程度で、その後ろはコンクリートによる遮蔽とする。
【００１３】
（７）Ｐｂ−Ｂｉの予熱系、電磁ポンプの動力ケーブル、センサーケーブル等のフィードスルーは、最小限にする。
２．基本的コンセプト
ターゲットキャプセルは簡易に交換できる構造にするため、１次系と２次系を分けて、１次系をアンプル型とし、ターゲット照射位置に抜き差しができる構造とし、１次系の熱を２次系のプールで冷却する方式とする。１次系の液体金属ターゲットは、電磁ポンプにより循環させ、電磁流量計と熱電対で流量と温度管理をする。２次系のプールは、オーバーフローをしないようにレベル計でモニターし、２次系の冷却ループは、電磁ポンプ、電磁流量計、ドレンタンク、冷却器等で構成する。液体金属が接する構造材は、基本的にはＣｒ−Ｍｏ鋼とするが、電磁ポンプと電磁流量計周りの材質は非磁性体のステンレス鋼とする。以下、実施例に基づいてターゲットキャプセルの基本的な構造を示す。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
図１に示されるとおり、核破砕ターゲットシステム装置は、液体金属ターゲットを有する１次系システム１（ターゲットキャプセル）とこの系の液体金属を冷却する２次系システム２とから構成される。液体金属は、タンク３内に収容され、電磁ポンプ４により、二重管１３の真空又は断熱材により断熱された内管５の先端部の陽子ビーム６が照射される窓部から二重管内に吐出され、二重管のタンク底面に向けて開口した他端部からタンク内に放出されて循環流を形成する。この二重管内を流れる液体金属の流速は電磁電流計７によって測定される。
【００１５】
液体金属ターゲットを収容したタンク３の下部は、冷却タンク８内に収容された冷却液（Ｐｂ−Ｂｉ）内に浸漬されて冷却される。この冷却タンク８に収容された冷却液は、循環管９により除熱ループ１０に循環されて冷却後にタンク３の底部の外壁面に放出されてタンク３内の液体金属を冷却する。この除熱ループは放射線防護用の遮蔽体で囲まれており、又タンク８内の冷却液の液面はレベル計１１により測定される。
【００１６】
上記装置の長所としては、（１）１次系ターゲットキャプセルは簡単に抜き差しが可能、（２）運転前作業が少ない、（３）電磁ポンプが１台で済む、（４）１次系容器内にガス系（加減圧）が要らない、及び（５）二重配管がＬ字型に曲がって、タンク３が除熱伝熱する下部にのみあるので、よりリーク量が少ない点である。
【００１７】
（実施例２）
図２に示されるとおり、核破砕ターゲットシステム装置は、液体金属ターゲットを有する１次系システム１（ターゲットキャプセル）とこの系の液体金属を冷却する２次系システム２とから構成される。液体金属は、タンク３内に収容され、電磁ポンプ４により、二重管１３の真空又は断熱材により断熱された内管５先端部の陽子ビーム６が照射される窓部から二重管内に吐出され、二重管のタンク底面に向けて開口した他端部からタンク内に放出されて循環流を形成する。この二重管内を流れる液体金属の流速は電磁電流計７によって測定される。タンク内の圧力は液体金属をタンク内に充填後にＨｅガスにより加圧され、その圧力はバッファータンクにより適宜調整される。
【００１８】
液体金属ターゲットを収容したタンク３の下部は、冷却タンク８内に収容された冷却液（Ｐｂ−Ｂｉ）内に浸漬されて冷却される。この冷却タンク８に収容された冷却液は、循環管９により除熱ループ１０に循環されて冷却後にタンク３の底部の外壁面に放出されてタンク３内の液体金属を冷却する。この除熱ループは放射線防護用の遮蔽体で囲まれており、又タンク８内の冷却液の液面はレベル計１１により測定される。
【００１９】
上記装置の長所としては、（１）１次系ターゲットキャプセルは簡単に抜き差しが可能、（２）電磁ポンプが１台で済む、（３）リーク量が非常に少ない。リークが発生した場合、電磁ポンプ４を停止か逆運転させ（電磁ポンプ用駆動電源の３相交流の相を逆転させて流れ方向を変える）、合わせてバッファータンクを開放し、１次系タンク部Ｈｅ圧力を下げることによって、１次系配管部の液体金属をタンク部に戻す。
【００２０】
（実施例３）
図３に示されるとおり、核破砕ターゲットシステム装置は、液体金属ターゲットを有する１次系システム１（ターゲットキャプセル）とこの系の液体金属を冷却する２次系システム２とから構成される。液体金属は、タンク３内に収容され、電磁ポンプ４により、二重管１３の真空又は断熱材により断熱された内管５の先端部の陽子ビーム６が照射される窓部から二重管内に吐出され、二重管のタンク底面に向けて開口した他端部からタンク内に放出されて循環流を形成する。この二重管内を流れる液体金属の流速は電磁電流計７によって測定される。タンク３内に液体金属を充填する際にはタンク内は減圧にされ、充填後に電磁ポンプ１６の起動によりタンク内の液面が上下に適宜調整される。
【００２１】
液体金属ターゲットを収容したタンク３の下部は、冷却タンク８内に収容された冷却液（Ｐｂ−Ｂｉ）内に浸漬されて冷却される。この冷却タンク８に収容された冷却液は、循環管９により除熱ループ１０に循環されて冷却後にタンク３の底部の外壁面に放出されてタンク３内の液体金属を冷却する。この除熱ループは放射線防護用の遮蔽体で囲まれており、又タンク８内の冷却液の液面はレベル計１１により測定される。
【００２２】
上記装置の長所としては、（１）１次系ターゲットキャプセルは簡単に抜き差しが可能、（２）リーク量が非常に少ない。リークが発生した場合、電磁ポンプ４を停止か逆運転させることによって、１次系配管部の液体金属をタンク部に戻す。（３）電磁ポンプ１６がある為にタンク３内を加圧して溶融金属を押し上げる圧力を最小にすることができる。これによってタンク３内の加圧を大気圧以下に設計できる。こうすればリークが生じても流体のリークを防止できる。
【００２３】
なお、１次系システムを冷却する２次系システムとしては、図４に示されるようなミスト（水）＋ガスによる冷却方式と図５に示されるようなコイル状熱交換器による冷却方式のものがあるが、１次系システムのターゲットキャプセル構造と２次系システムの冷却構造の分離が困難なこととそれらの構造が多少複雑になっている。
【００２４】
図４の装置においては、１次系システムの液体金属ターゲット用のタンク３が２次系システムの冷却用タンク８の内部に配置され、冷媒は、ガス状で入口１７から供給され、タンク３内の液体金属を冷却後に凝縮して液化し、出口１８から排出される。
【００２５】
又、図５の装置においては、１次系システムの液体金属ターゲット用のタンク３内に２次系システムの冷却用コイル１９が配置され、冷却液は、タンク８から移送ポンプによりコイル内に供給され、タンク３内の液体金属を冷却後にタンク８に戻される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のターゲットキャプセルの１例を示す図である。
【図２】 本発明のターゲットキャプセルの１例を示す図である。
【図３】 本発明のターゲットキャプセルの１例を示す図である。
【図４】 本発明のターゲットキャプセルの１次系冷却システムの１例を示す図である。
【図５】 本発明のターゲットキャプセルの１次系冷却システムの１例を示す図である。
【図６】 従来のターゲットステーションを示す図である。
【符号の説明】
１： １次系システム
２： ２次系システム
３： ダンプタンク兼熱交換器
４： 電磁ポンプ
５： 二重管の内管
６： 陽子ビーム
７： 電磁流量計
８： 冷却液タンク
９： 循環管
１０： 除熱ループ
１１： レベル計
１２： 陽子入射部の窓部
１３： 二重管
１４： 遮蔽体
１５： 二重管の外管
１６： 電磁ポンプ

Claims (7)

1. 核破砕ターゲットシステムの放射化したターゲット液体金属が流れる領域を１次系とし、１次系の構成に二重配管を用いて外観上は１本の配管で構成されたものとし、その二重配管部に液体金属を駆動する電磁ポンプとその流量を計測する電磁流量計が設置され、液体金属がターゲット照射窓部において折り返し、ダンプタンク兼熱交換器に戻り、そこで液体金属が冷却後に循環される、コンパクトで交換作業が容易な１次系を有する核破砕ターゲットシステム。
2. 核破砕ターゲットとして液体金属が選定使用されることを特徴とする請求項１記載のターゲットシステム。
3. １次系において、液体金属を駆動する電磁ポンプ、その流量を計測する電磁流量計が、１次系を交換する際に独立して切り離すことが出来、そのまま再使用できることを特徴とする請求項１記載のターゲットシステム。
4. （１） 陽子ビームが入射される窓部、液体金属用のポンプ及びその流量計を有する二重管（ａ）、並びに一端が前記窓部に隣接し、その他端がダンプタンク兼熱交換器の底部に達している前記二重管内に設けられた断熱性内管（ｂ）を備え、前記二重管及び前記断熱性内管により外観上は１本の配管で構成された１次系破砕ターゲットシステムと、
   （２） 前記ダンプタンク兼熱交換器の下部を冷却するための冷却液を収容し、その冷却液を循環して冷却するための循環管を有する冷却タンクを備えた２次系冷却システムとから構成され、前記ポンプにより、陽子ビームの入射により加熱された液体金属を、前記断熱性内管を経てダンプタンク兼熱交換器底部に供給して前記冷却タンクにおいて冷却後に前記窓部に循環することからなる核破砕ターゲットシステム装置。
5. 二重管の内管が、真空部を構成するか又は断熱材を充填するための二重壁を有する請求項４記載の装置。
6. １次系ターゲットシステム内に液体金属ターゲットが空隙なく満たされている請求項４記載の装置。
7. ダンプタンク兼熱交換器内の液体金属ターゲットの液面が、
   タンク内に挿入された二重管の下端部の上に位置し、液体金属が二重管の外管と内管との間を上昇して循環する請求項６記載の装置。

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