Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEP012

J-PARC リニアック加速空洞用冷却水設備の現状 2018
PRESENT STATUS OF WATER COOLING SYSTEM AT J-PARC LINAC 2018
菅沼和明#, 廣木文雄, 伊藤崇, 山﨑良雄
Kazuaki Suganuma #, Fumio Hiroki , Takashi Ito , Yoshio Yamazaki
Japan Atomic Energy Agency

Abstract
It is the report to improve the problem of flow reduction in water cooling system resolved completely in summer, 2017.
It is continued the phenomenon decreasing the flow (5,800 L/min) of circulating water cooling in DTL and SDTL about
3% per week. By the flow reduction, the entire operation of J-PARC and operation of the accelerator are stopped and low
flow contact of flowmeter installed in cavities. The phenomenon is progressed about 9 years since we confirm it anddrastic measures for it are aspired. In this report, the point of interest to solve this problem is written. Similarly, it issuggested that the point we should be careful when we use the water cooling system it is one of the utility of J-PARC
accelerator. In last summer, the flow reduction does not occur completely as specification changes and replacement ofthe pumps. Thanks of that, the entire operation and operation of accelerator of J-PARC is operated safety.

1.

はじめに

本件は、昨年（2017 年）夏に完全解決した冷却水設備における流量低下問題の改善報告である。J-PARC リ
ニアック[1]の前段空洞である DTL 及び SDTL 用の循環冷却水の流量(5,800 L/min)が、1 週間かけて 3%程度低下する現象が長年続いていた。この冷却水の流量低下によって、空洞に取り付けた流量計の低流量接点を動作させ、加速器の運転のみならず J-PARC 全体の運転を停止させていた。この流量低下の現象は発現から約 9 年が経過しており、抜本的な対策が望まれていた。本発表
では、流量低下の解決の糸口となった着目点を整理し述べる。同様に J-PARC 加速器を底辺から支えるべきユーティリティのひとつである冷却水設備の運転管理の改善すべき項目を提案する。昨年夏にポンプの仕様変更を決断し、ポンプの入れ替えをおこない冷却水流量の低下は皆無となった。J-PARC 加速器のみならず、JPARC 全体の安定運転に絶大な貢献を果たした。

2.

リニアック冷却水設備

2.1

リニアック冷却水設備

Table 1 にリニアック冷却水設備の一覧を示す。リニ
アックの冷却水設備は、10 系統からなり、冷却塔、熱交換器、冷凍機、冷却水タンク、温度調節装置及び冷却水母管などから構成され、リニアック棟内に設置されている。加速管、クライストロン及び電源設備などの冷却を行う設備である。RFQ に使用する冷却水は±0.1 、加速管では±0.2 の温度に保たれた冷却水の制御をおこなっている。
2.2

RI4 冷却水設備

Figure 1 に設備名称 RI4 の冷却設備の系統を示す。

2016 年夏に循環ポンプの増設を行い、循環ポンプ 2 台での運転となっている。RI4 の循環ポンプには、既存のポンプである日機装株式会社製のキャンドポンプ、定格流量 7,700 ﾘｯﾄﾙ/分、揚程 70 ｍ、型式 HN48D-N3 及び、新規に追加した株式会社酉島製作所製のメカニカ
ルシールポンプ、定格流量 4,200 ﾘｯﾄﾙ/分、揚程 75 m、口径型式 CAR125-400 を採用している。RI4 は加速管RFQ、DTL 及び SDTL の除熱をおこなっている。JPARC のリニアックは南北に伸びており、北行きの流量4,400 リットル/分、南行きの流量 1,400 リットル/分である。
その他、浄化装置に 400 ﾘｯﾄﾙ/分の流量で運転をおこなっている。2017 年夏にキャンドポンプを株式会社酉島
製作所製のメカニカルシールポンプに換装している。このポンプの換装によって設備名称 RI4 の冷却水流量低下の問題は皆無となった。
Table 1: List of Water Cooling System at LINAC
設備名称負荷温度(℃)

流量(l/min)

RI1

RFQ

22±0.1300

RI2Ion Source

27±2.0100

RI3DTL,SDTL27±0.2

3,800

RI4DTL,SDTL

27±0.2

5,800

RI5ACS,L3BT

27±0.2

8,300

RI6ACS,L3BT

27±2.0800

非 RI1Ion Source,27±1.02,200

Klystron
非 RI3Klystron, DTQ

27±7.06,000

非 RI6Klystron , ACS

27±1.01,700

非 RI8Klystron , ACS

27±7.07,600___________________________________________# suganuma.kazuaki@jaea.go.jp- 309 -

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Figure 1: Diagram of RI4 water cooling system.

4.
3.

故障発生の記録

設備名称 RI4 で発生した故障は、2014 年から 2016 年に多く発生していた。Table 2 に故障発生の一覧を記す。
放射線管理エリア内の空洞及び付随する流量計の調整のためにエリアに入域する必要があるため空気の入れ替えの時間が必要であり停止時間が長くなっている。
Table 2: Warning List of Water Cooling System at LINAC
停止時間

問題解決の着目点

4.1 時系列データの整理
筆者は、2015 年当初、時系列データが１週間単位でしか閲覧することができず、過去の全体流量と現在の全体流量のグラフをそれぞれ比較するなど、変化を視覚的に整理できない状態であった。そのため、冷却水設備が運転を開始した 2006 年まで遡り、流量の数値記録を複製して筆者の卓上の PC に保存し、ファイルに自由にアクセスできるようにした。

故障発生
年月日

装置名

2014/1/18

DTL03

3:39:37

2014/2/2

DTL03

3:20:36

2014/2/3

SDTL06

2:43:42

2014/3/11

L3BT:QMF

3:46:53

2014/4/3

MEBT1

4:06:46

2014/5/5

HVDC

4:35:37

2014/5/7

HVDC

2:01:09

2014/5/18

HVDC

0:43:54

2014/5/18

HVDC

1:19:39

2015/6/12

IS,RFQ-SDTL

18:30:09

運転を開始した 2006 年から 2018 年までの全てのデー
タはそれなりに膨大な量であり汎用のグラフ作成ソフトで加工するには持て余す。特に表計算ソフトであるマイクロソフトのエクセルの使用者であれば、ワークシートの行と列の制限で多量の数値データの扱いに困ってしまう。そこで、LabVIEW を用いて記録数値の間伐処理が実施できるプログラムを作成した。このプログラムを使用し自由に記録点数の間伐をおこなった。同様に、記録保存された数値データをグラフにしてみるとシグナルに対するノイズ成分が大きく、流量低下の現象がグラフを作成した時点では変化が確認できなかった。そこで LabVIEW で移動平均処理ができるプログラムを作成した。前後各 10 ポ
イント、計 21 ポイントで平均化処理をおこなうとグラフ上に緩やかな流量低下の現象が見えるようになった。

2015/12/1

DTL03

3:13:55

4.3

Figure 2 に設備名称 RI4 における 2012 年 10 月から2014 年 7 月にかけてのバッファタンクへの水の補給及び冷却水流量を示す。以前からの傾向として、バッファタンクへの給水によって冷却水流量が増加することが確認されている。同様に時間が経過すると冷却水流量が減少することが確認されている。補給水を冷却水の循環経路内に補給することで全体流量が変化して見えることから、追加した補給水の水質と、使用中の冷却水の水質に何らかの違いがあるのではないかと考えていた。

(H:M:S)

2016/2/23

CHOPPER

3:58:34

2016/3/8

SDTL06

3:07:35

2016/3/12

CHOPPER

5:04:19

2016/4/20ACS01-21

1:45:37

2016/5/17

SDTL01

5:37:23

4.2- 310 -

記録された数値の間伐および平均化処理

純水補給のタイミングで起こる流量変動の不思議Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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4.4

Figure 2: Record of operating status, RI4 water flow rateand storage tank level of cooling water.

長期間グラフの作成

Figure 3 に RI4 における 2006 年夏から 2017 年にかけての冷却水流量を示す。約 10 年間の RI4 冷却水設
備の流量の記録を古い順番から見ると、2006 年夏からの１年間は全体流量が徐々に増加はしているものの、比較的安定した値であったと考えられる。2007 年夏から 2008
年夏の流量は安定している。2008 年夏を過ぎて、2009
年 1 月あたりから流量変動が見えてきているようである。
2009 年夏には一段と冷却水流量が変動し始めたと見ることができる。2010 年夏には更に変動が大きくなっている。しかしながら、2012 年 1 月には、再び安定した流量になっている。2012 年に流量が安定した理由を考えると、2011 年の大震災ですべての冷却水の入れ替えが行われた事によると考えられる。

Figure 3: Record of operating status, RI4 water flow rate.
すべての冷却水が入れ替わった事により 2012 年 1 月
頃には再度安定した流量になっている。しかし、2012 年夏から年月を経るごとに流量の変動が大きくなってきている。特に各年の夏のメンテナンス期間が終了し加速器の運転が再開すると冷却水流量の変動が大きくなっていると見ることができる。

5.

運転監視の改善提案

ンプの循環ポンプに交換したことで、冷却水設備 RI4 での流量変動による加速器の計画外の運転停止は皆無になった。今後は、冷却水の汚濁を除去するメンテナンスを実施したい。特に夏のメンテナンス期間に水の汚れが増殖されると考えられる。毎年夏に冷却水全量の交換を実施するのも得策と考える。もちろん加速空洞内のすべての冷却水を交換する必要がある。冷却水設備の安定運転そして加速器全体の安定運転に絶大な効果があると考えられる。

これまでの冷却水設備における全体流量低下の経験から、機器及び機器の状態の監視のために改善すべき点を述べる。第一点目として、状態監視グラフの時間軸の長時間表示が必要である。第二点目に、数値データの S/N 比の改善を提案したい。

冷却水流量低下の調査にあたっては、J-PARC 加速器ディビジョン長 長谷川和男様、加速器副ディビジョン長 金正倫計様にご指導頂きました。御礼申し上げます。

6.

参考文献

まとめ

謝辞

J-PARC の更なる安定運転のために問題となっていた [1] 山 崎 良 成 . “ Accelerator technical design report for JPARC”, KEK-report 2002-13(2002).
リニアック加速空洞用冷却設備の流量低下を皆無にした。
この冷却水流量変動の原因は二つある。第一に、冷却水の汚濁が流量変動の因子となっている。第二に、建設当初選定された循環ポンプが冷却水の汚濁に敏感に反応して流量が変動していた。2017 年夏に抜本的な対策をおこなった。循環ポンプが汚濁水に敏感に反応し冷却水流量の変動の発生原因であった。新たにメカシールポ- 311 -