JPH11273896A - 核破砕中性子源用水銀ターゲット構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中性子源用水銀ターゲット構造において水銀
流の滞留が生じないようにして、核破砕に伴って発生す
る熱を蓄積させないようにする。 【解決手段】 水銀を陽子ビームに当てて核破砕し中性
子を発生させる核破砕中性子源用水銀ターゲット構造１
において、陽子ビームの照射領域に水銀流が陽子ビーム
とクロスする方向に流れる胴部４を設けることを特徴と
し、特に、その胴部に水銀流を供給する流入部２に、先
端側すなわち陽子ビーム入射側の方に開口率が高くなる
多孔板５を設けることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水銀を陽子ビーム
に当てて核破砕し中性子を発生させるターゲット構造に
関し、特に水銀流を循環して照射エネルギーの蓄積を防
ぐようにした核破砕中性子源用水銀ターゲット構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】中性子線を得る方法として、高エネルギ
ーの陽子ビームを重金属に照射し核粉砕に伴う中性子を
利用する方法がある。この方法では重金属ターゲットに
陽子ビームを照射して破砕するときに大きな熱が発生す
るため、ターゲットを冷却する必要がある。このため、
冷媒を兼ねることができる液体の水銀をターゲットとし
て用い、陽子ビームで照射して高温になった水銀を外部
の冷却装置に送って冷却し、冷却した水銀を再び照射領
域に戻して中性子を発生させる構造にした水銀ターゲッ
トが好まれる。

【０００３】このような核破砕中性子源用水銀ターゲッ
ト構造の従来例を図４から図６に示す。図４は水銀ター
ゲットの先端部分を一部切り欠いて示した斜視図、図５
は水銀ターゲット構造体が収納されるリフレクター・モ
デレータ構成体の一部切り欠き斜視図である。また、図
６は水銀ターゲットの先端部における水銀流体の流れを
示した断面図である。

【０００４】この水銀ターゲット構造では、それぞれの
供給管から供給される水銀とヘリウムが混合し２相流体
として中性子発生部分に流入する。ターゲット構造の内
部には下側の壁近くに仕切り板として案内板が設けられ
ていて、水銀ヘリウム混相流体は案内板の下側に接続さ
れた供給管からターゲット構造内に流入する。水銀ヘリ
ウム混相流体はターゲット構造の先端部に激しく当た
り、先端部の曲率に沿って折れ曲がって案内板の上側の
広い断面積を有する部分を流入方向と反対の方向に押し
戻され、排出管から回収される。排出管から回収された
水銀は、気体を分離し熱交換器で冷却して、再びポンプ
により昇圧し、冷却水銀として水銀供給管に圧送されて
くる。

【０００５】ターゲット構造の先端部は他の部分より肉
の薄い陽子取込み用ウインドウになっていて、リニアッ
クなどから導入される高エネルギーの陽子ビームがこの
ウインドウに投射され透過して、内部の水銀に照射す
る。水銀は陽子ビームにより破砕して種々の核種に分裂
しこの時中性子が発生する。なお、水銀ターゲット構造
は扱いにくい水銀を扱っているので、万一の事故のため
２重構造になっていて、内壁が破れても外壁との空間を
通って水銀を回収できるようになっている。

【０００６】水銀ターゲットに陽子ビームが照射して発
生した中性子は、水銀ターゲットの外側に設けられたモ
デレータに投射され、ここで各方向に走行するよりエネ
ルギーの低い中性子ビームとなる。モデレータは液体水
素や水など中性子に対する減速効果の高い物質を循環さ
せている。水は常温で使用できるが、水素濃度がより高
い液体水素は２０Ｋの低温で運転される。リフレクター
はニッケルやベリリウムの６角柱状体で充填されたもの
で重水で冷却しながら使用される。水銀ターゲット構造
およびモデレータをリフレクターで囲って、必要な中性
子以外が外部へ漏洩しにくいようにし、かつ中性子をモ
デレータに戻すことにより中性子の利用効率を高めてい
る。

【０００７】ターゲット構造の周辺には適当な角度ごと
に図外の中性子利用施設が設けられており、モデレータ
と中性子利用施設までの間には放射状にダクトが設けら
れている。モデレータで生成されるより活用度の高い低
速の中性子ビームは、このダクトに導かれて中性子利用
施設で対象物と反応させるために利用される。

【０００８】水銀ターゲット式の中性子発生装置は、循
環する液体水銀を冷媒兼ターゲットとして利用し、陽子
ビームが衝突して水銀原子を破砕する時に発生する大き
なエネルギーを液体水銀と共に外部に搬出して、大きな
熱交換器を使用して熱除去し十分に冷却した液体水銀を
再びターゲットとして利用するので、安全に運転を継続
することが可能となる。

【０００９】上記の中性子発生装置における液体水銀
は、扁平な舌状のターゲット構造容器の下側から液体水
銀が供給され、容器の先端で反転して水銀ターゲット照
射領域を陽子ビームの照射方向と同じ方向に戻って回収
され、冷却装置に送られる。このような水銀の流れで
は、陽子ビームが照射して核破砕した部分を含む水銀流
がいつまでも同じ陽子ビームに照射され続けるため、さ
らに核破砕して重畳的に発熱し、水銀流の温度を上昇さ
せる。さらに、図６に示すように、容器下側の壁と案内
板の間から勢いよく噴出されて容器先端の丸みに沿って
反対側の面を伝って強く流れる。一方、案内板の上面に
はこの強勢な水銀流に引きずられて上面に沿って先端方
向に流れようとする水銀流が発生する。このため、案内
板上面に渦流が発生して液体水銀が滞留する部分ができ
る。

【００１０】このように、案内板の下側から供給される
水銀流と案内板の上を流れて排出される水銀流は、流れ
量のバランス上全く同じ量となるが、案内板裏側の局所
的な渦流のため、一部で熱の搬出が滞って水銀中で発生
する核破砕熱がここに蓄積して高温になる。このような
過熱した水銀部分があると、水銀ターゲット構造体が熱
応力で変形したり化学的に破損を受け、また、水銀が沸
騰して流れが異常になったり気液の分離工程に不具合が
生じたりする。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、水銀流の滞留が生じないようにし
て、核破砕に伴って発生する熱を蓄積させない中性子源
用水銀ターゲット構造を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、水銀を陽子ビームに当てて核破砕し中性子を発生さ
せる核破砕中性子源用水銀ターゲット構造において、本
発明のターゲット構造は陽子ビームの照射領域に水銀流
が陽子ビームとクロスする方向に流れる胴部を設けるこ
とを特徴とする。また、その胴部に水銀流を供給する流
入部に、先端側すなわち陽子ビーム入射側の方に開口率
が高くなる多孔板を設けることが好ましい。

【００１３】本発明の核破砕中性子源用水銀ターゲット
構造によれば、陽子ビームとクロスする方向に流れて滞
留を起こさないようにした水銀流によって陽子ビームの
照射領域で発生する破砕熱は速やかに搬出されターゲッ
ト構造内部に熱蓄積が起こらず、構造内に極端な高温部
分が生じないため、構造体全体や部分が破損しにくくま
た水銀の沸騰を抑えやすく不具合を防止することができ
る。また、水銀流の流入部に設けた先端の方に開口率が
上がる多孔板は、陽子ビームによる核反応が激しい部分
の冷却用水銀量を大きくするため、熱量搬出の効率が向
上する効果がある。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の詳
細を１実施例に基づいて説明する。図１は本発明の１実
施例の核破砕中性子源用水銀ターゲット構造における先
端部分を表す平面断面図、図２はその側面図、図３は図
１のＡ−Ａ矢指図である。

【００１５】本実施例の核破砕中性子源用水銀ターゲッ
ト構造は、先に説明した従来例の水銀ターゲット構造と
同様に、液体水銀とヘリウムガスを混合した２相流を導
入した先端が若干狭くなった舌状の容器をリフレクター
・モデレータ構成体の間に挿入し、容器先端から陽子ビ
ームを照射して内部の水銀を核破砕して中性子を発生さ
せ、モデレータを介して適当な速度になった中性子ビー
ムを中性子利用施設に送り出すものである。液体水銀は
舌状容器から回収され気液分離して熱交換器で冷却され
た後、ふたたび冷却水銀流として舌状容器に供給される
ため循環している。

【００１６】本実施例の核破砕中性子源用水銀ターゲッ
ト構造が先に説明した従来例のものと異なる点は、従来
例では陽子ビームの照射領域における水銀流が総体とし
て陽子ビームと平行な方向に流れるようにされているの
に対して、本実施例のものでは陽子ビーム照射領域を包
含する胴部を備えてこの胴部における水銀流が陽子ビー
ムとクロスする方向に流れるようにしたことである。従
って、以下、この差異に係わる点について特に説明す
る。

【００１７】図１および図２に示したように、水銀ター
ゲット構造１は水銀流の供給口２と排出口３およびこれ
らに挟まれた胴体部４とからなる。中性子発生用のター
ゲットとなる水銀Ｈｇは、陽子ビームの強度に応じて液
単相またはヘリウムＨｅを混合した２相流とする。水銀
ＨｇまたはヘリウムＨｅとの２相流とした水銀流は、タ
ーゲット構造１に入る前に混合されて図中下側の供給口
２から容器内に導入される。

【００１８】ターゲット構造１の供給口２に繋がった部
分には胴体部４との間に仕切り板５が設けられている。
仕切り板５は多孔板になっていて、水銀流は仕切り板５
に設けられた開口を通って胴体部４に流入する。水銀流
は、図中に矢指したように、これら開口を通って胴体部
４に流入して、対向面方向に互いにほぼ平行に流れる。
水銀流中の水銀に胴体部４の先端から射入してくる高エ
ネルギ陽子ビームが衝突すると、水銀原子が核破砕して
中性子を放出する。胴体部４を流れた水銀流はロート状
に集合させて排出口３から水銀流冷却系に搬出される。

【００１９】陽子と水銀原子との衝突確率は先端部の方
が高いので、核破砕に伴い発生する熱も先端部の方が大
きい。除去すべき熱量も先端の方が大きいから、冷却水
銀流の流量をこれに適合するように調整しておくことが
好ましい。このため、多孔板５に開けられる流通穴６は
根本から先端にいくにつれて開口率が大きくなるように
なっている。さらに、仕切り板５の最先端部は大きな開
口７になっている。このようにして、多くの水銀流が先
端部に流れやすくなっている。

【００２０】このように、水銀流は陽子ビームに対して
垂直方向にほぼ平行に胴体部４を流れ、核破砕に伴い発
生する熱は逐次搬出されるうえ、流れに滞留部が生じな
いので熱が蓄積しない。このため、ターゲット構造１内
に極端な高温部分が生じないので、熱応力を受けない構
造的に安定で頑丈な核破砕中性子源用水銀ターゲット構
造を得ることができる。また、水銀の沸点を越えないよ
うな運転が可能になるので、より簡便な構造により適正
な冷却の下で中性子を発生させる目的を達成することが
できる。

【００２１】なお、仕切り板５は条件の変化に基づき胴
体部４における水銀流を適正なものとするため、各種の
形状を取ることができる。例えば、流通穴６や開口７の
水銀流取り込み側に適当な案内板を設置することによ
り、胴体部４における横断流の流量分布を調整したり、
水銀流の先端方向成分を弱くして流量分布幅を狭くして
も良い。また、図面では水銀ターゲット構造は水平に設
置されるものとして説明されているが、垂直に設けても
あるいは適当な傾斜角をもって設置しても良いことはい
うまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の核破砕中性
子源用水銀ターゲット構造では核破砕に伴い発生した熱
が逐次除去され局所的な熱蓄積が無いため、従来構造体
内で生ずる高温部のため必要とされた頑丈な構造をより
簡易化して、より経済的なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の核破砕中性子源用水銀ター
ゲット構造における先端部分を表す平面断面図である。

【図２】本実施例の側面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ矢指図である。

【図４】従来例の核破砕中性子源用水銀ターゲット構造
の先端部分を一部切り欠いて示した斜視図である。

【図５】図４の核破砕中性子源用水銀ターゲット構造を
収納するリフレクター・モデレータ構成体の一部切り欠
き斜視図である。

【図６】図４の水銀ターゲットの先端部分における水銀
流体の流れを示した断面図である。

【符号の説明】

１ 水銀ターゲット構造 ２ 水銀流供給口 ３ 水銀流排出口 ４ 胴体部 ５ 仕切り板 ６ 流通穴 ７ 開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大岡 裕二 東京都江東区南砂２丁目６番５号 川崎重 工業株式会社東京設計事務所内 (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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水銀を陽子ビームに当てて核破砕し中性
   子を発生させるターゲット構造において、陽子ビームの
   照射領域に水銀流が陽子ビームとクロスする方向に流れ
   る胴部を設けることを特徴とする核破砕中性子源用水銀
   ターゲット構造。
2. 【請求項２】 前記胴部に水銀流を供給する流入部に陽
   子ビームの入射側の方に開口率が高くなる多孔板を設け
   たことを特徴とする請求項１記載の核破砕中性子源用水
   銀ターゲット構造。