中性子ラジオグラフィーによる 加速器ターゲットにおける熱流動計測 神戸大学大学院 工学研究科 機械工学専攻 市川 泰資

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1 中性子ラジオグラフィーによる 加速器ターゲットにおける熱流動計測 神戸大学大学院 工学研究科 機械工学専攻 市川 泰資
神戸大学大学院　工学研究科　機械工学専攻 市川　泰資 竹中　信幸　　杉本　勝美　　田中　龍太

2 核破砕反応による高密度の発熱により，固体ターゲット冷却水流路ではバーンアウトが起きる可能性がある．
研究背景 中性子は 物質科学，生命科学など先端的科学研究を推進する上で 不可欠なプローブであり中性子ラジオグラフィー等にも用いられている． 加速器でGeV程度に加速させた陽子線をターゲットに照射し， 核破砕(スポレーション)反応をおこして中性子を発生させることが出来る． 核破砕反応による高密度の発熱により，固体ターゲット冷却水流路ではバーンアウトが起きる可能性がある．

3 単流路における沸騰二相流の圧力損失線図の概略図
研究背景 単流路における沸騰二相流の圧力損失線図の概略図 ① 通常のターゲットの状態 ポンプトリップ等の事故で冷却水流量が減少 log⊿P ⊿PG ⊿PL logG 逸走　 ① ② ③ ② 固体ターゲット流路のような並列チャンネルでは差圧が一定なので圧力損失の極小点で逸走に至る ③ 冷却水流量が急激に減り沸騰危機に至る可能性 固体ターゲットの安全限界を考える上では限界熱流束に加えて，圧力損失の極小点も考慮する必要がある．

4 高エネルギー加速器固体ターゲットにおいて， ポンプトリップ等による事故が発生し， 冷却水流量が減少した場合の安全性を評価する．
研究目的 高エネルギー加速器固体ターゲットにおいて， ポンプトリップ等による事故が発生し， 冷却水流量が減少した場合の安全性を評価する． 研究内容 ロッドターゲットを模擬した試験部を用いて強制対流沸騰熱伝達 実験を行い，限界熱流束，ネットベーパー発生点，圧力損失極小点 について検討を行った． また，中性子ラジオグラフィーを用い試験部内の可視化により ボイド率の計測を行った．

5 実験装置 ⑤ ⑨ ⑩ ② ⑧ ⑥ TC ⑦ ③ ⑪ ⑫ ④ ⑬ P ① 1. pump 2. flow rate mater 3.
test section 4. AC electrical source 5. differential pressure transducer 6.7. TC for inlet and outlet temperature 8. heat exchanger 9. water tank 10. degas tank 11. heater 12. pressure gauges 13. pressurize cylinder

6 円形流路試験部 Proton beam Coolant Rod Target 流路内径 3, 5 [mm] 壁面厚さ 1.5 [mm]
差圧測定口 Proton beam Coolant 加熱部（ステンレス） 電極（銅） 流路内径　　3, 5 [mm] 壁面厚さ [mm]

7 発熱分布試験部 試験部の肉厚に分布を持たせることで，発熱分布による影響を検討した．
ターゲットの発熱分布は Gaussian分布で近似できる　 試験部の肉厚に分布を持たせることで，発熱分布による影響を検討した． σ=10.92[mm] σ=36.4[mm] σ=25.8[mm] 流路内径3, 5[mm]それぞれに，二次元発熱分布試験部σ=10.92, 25.8, 36.4[mm]の3種類

8 実験結果 ネットベーパー発生点 表面沸騰で壁面に付着している気泡が壁面から離脱し流れの中心へ移動し始める点。
ボイドの発生と圧力勾配が急激に増加し始める。 質量流量一定条件での実験結果の圧力損失の勾配の変化からネットベーパー発生点を求めた。

9 流路内径3, 5[mm]それぞれで，異なる傾向が見られた．
実験結果 ネットベーパー発生点 流路内径3, 5[mm]それぞれで，異なる傾向が見られた．

10 実験結果 圧力損失極小点 流路内径3 [mm]試験部では，極小点が現れる前に限界熱流束に至った．
Dh=3mm 流路内径5 [mm]試験部では，極小点を越えてから限界熱流束に至った． Dh=5mm

11 圧力損失のモデリング サブクール沸騰状態の圧力損失を計算するために沸騰状態を 冷却水流路に沿って3つの領域に分けモデルを検討する．
第1領域 ：非沸騰状態 Blasiusの式 第2領域 ：表面沸騰状態 表面粗さを考慮した単相流 第3領域 ：ネットベーパー開始以降 均質流モデル Section2 Section1 Section3 ネットベーパー発生点に従来の相関関係との一致する傾向が見られなかったため，実験値を与えた．

12 モデリングと実験結果との比較 流路内径5[mm]円形流路試験部 極小点まではほぼ一致．
　極小点まではほぼ一致． ネットベーパー発生点を与えることができれば極小点予測が行える． ⊿P [Pa] ⊿P [Pa] minimum point q=0.6[MW/m2] G [kg/m2s] G [kg/m2s]

13 可視化実験 撮像システム CCDカメラ（画素数1024×1024pixel 輝度16bit） 露光時間 60sec
L/D 　（スリット 1mm　試験部との距離　830mm） コンバータ　　　試験部　　172mm Converter Neutron beam Mirror Lens Visible-Ray Test section Camera

14 ボイド率の測定 中性子ラジオグラフィーによる可視化 G=2500[kg/m2s] 計算式 加熱なし q=1.6 [MW/m2]
S:輝度，G:ゲイン，μ:中性子の減衰率， ρ:密度，δ:厚さ，α:ボイド率，O：オフセット 加熱なし q=1.6 [MW/m2]

15 ボイド率の測定 G=2500[kg/m2s] q=1.1 [MW/m2] q=1.6 [MW/m2]

16 ボイド率の測定 アーベル変換 アーベル変換 逆アーベル変換 中性子ラジオグラフィーにより得た画像 水分量（ボイド率）の半径方向分布の測定
軸対称を仮定 中性子ラジオグラフィーにより得た画像 水分量（ボイド率）の半径方向分布の測定 f(r,y) x r z y rw F(x,y) Neutron beam アーベル変換 逆アーベル変換

17 ボイド率の測定 アーベル変換 f(r,y) x r z y rw F(x,y) Neutron beam

18 ボイド率の測定 Abel変換 q=1.1[MW/m2] q=1.6[MW/m2]

19 結論 ・内径5[mm]試験部においては、表面沸騰域の表面粗さに加えて、 ネットベーパー発生点を与えることで圧力損失のモデリングを 行うことができた ・中性子ラジオグラフィーにより管内の流れ方向，半径方向の ボイド率を計測することができた．