のパルス中性子をユーザ
能性
高ーへ
最界
世J-PARC センター

中性子源セクション
2007 年 9 月

物質・生命科学実験施設 (中性子散乱 / ミュオン科学 実験施設）
Material and Life Science Experimental Facility

Neutron Scattering / Muon Science Facility

延べ床面積：19,440
延べ床面積：19,440 m2
Total amount of floor space : 19,440 m2

2次冷却系ポンプ室

第１ヘリウム圧縮機室

Secondary cooling system pumproom

No.1 helium compressor room

冷却塔
Cooling Tower

大型機器取扱室

M2トンネル

Large Components Handling Room

Muon area

第2実験ホール
No.2 Experimental Hall

中性子源ステーション
Neutron Stationproton

搬出入口
Gateway

MLF建家寸法：
駐車場

MLF Building dimension

幅 ： 70m、ParkingWidth

放射化機器取扱室（ホットセル）

長さIrradiated Components Handling Room (Hot Cell)： 146mLength

高さ： 30m、 実験ホール高さ：22m

HeightExp. Hall Height

玄関第１マニピュレータ操作室

第１実験ホール

Entrance

No.1 Manipulator Operation Room

No.1 Experimental Hall平成16年1月に着工した物質・生命科学実験施設は、平成19年4月20日に竣工
中性子源関連機器の現地設置工事は、平成16年10月に開始し平成19年8月23日にNM上部コンクリートブロック遮蔽体の設置で完了

中性子源附帯設備 (遠隔操作設備、放射化機器保管設備、１次/２次冷却系他）
Nuetron Source Ancillary Systems

RemoteRemote-handling System, Irradiated Components Storage System, Primary/SecondaryPrimary/Secondary Cooling Systems etc.

大型モニター

M20ストレート型ナットランナー

ターゲット容器交換作業

Large monitor display system

M20 straight type nut runnerTarget vessel exchange work

PM操作卓
PM operator console

ターゲット容器交換台車

MSマニピュレータ

Target vessel exchange truck

Master Slave manipulators

M20 90度アングル型ナットランナー
M20 90 deg. angle type nut runner

全体監視システム

天井走行型パワーマニピュレータ

ターゲット台車

Total monitoring system

Over head traveling type Power manipulator

Target trolley

減速材等切断装置
Target Moderator pipe etc.
cutting machine水銀ターゲット容器、反射体、モデレータ、陽子ビーム窓等は、ホットセル内でPM、MSM等の遠隔操作機器により取り扱う。取り外したモデレータ配管等は切断装置により切断・減容する。
12tインセルクレーン

陽子ビーム窓 / プレモデレータ冷却系

放射化機器は上部ハッチより搬入

12t In-cell craneProton beam window and pre-moderators cooling system

ターゲット台車 /ヘリウムベッセル冷却系
Target trolley / Helium vessel cooling system

陽子ビーム窓保管設備

T0チョッパー冷却系

Proton Beam Window Storage Facility

T0 Chopper cooling system

中性子事件装置冷却水供給系
Neutron station cooling system for instruments

ブレート型熱交換器
Plate type heat exchanger
Off gas process system for
mercury circulation system

水銀ターゲット容器保管容器
Mercury Target Vessel Storage cotainer

セーフティハル / 反射体冷却系

乾燥装置

Safety hull and reflector cooling system (D2O)

Drying up system

気体廃棄物処理システム
Off gas process system 物質・生命科学実験施設では、6系統の水冷却系と1系統の空気循環系により発生した熱を除去する。
1.セーフティハル /反射体冷却系（重水）266 kW
2.陽子ビーム窓 / プレモデレータ冷却系（軽水）
27 kW
3.ターゲット台車 / ヘリウムベッセル冷却系（軽水）
169 kW
4.T0 チョッパー冷却系
226 kW
5.中性子実験装置冷却水供給系
1142 kW
6.２次冷却系
2487 kW7.生体遮へい体空気循環系
13.5 kW T0チョッパー冷却系と中性子実験装置冷却水循環供給系はユーザー用

放射化機器保管容器
Irradiated Components Storage Cylinders

水銀ターゲット容器保管設備
放射化機器保管室 配置図

Mercury Target Vessel Storage Facility

Arrangement of Irradiated components Storage Room (B1FL)

水銀循環系の除熱約600kWに加えて、周辺機器や中性子分光器関連機器等の除熱も含め約2.5MWの熱を2次冷却系から大気放散する。
使用済のターゲット容器、反射体、モデレータ、陽子ビーム窓等は、放射化機器保管室（B1F)で一時保管する。

水銀ターゲットシステム
水銀ターゲット容器

水銀配管着脱機構

水銀容器が破損した場合でも水銀をターゲット容器内に閉じこめることができるように、水銀容器を保護容器（2重壁構造）で覆う構造である。

遠隔操作による水銀配管着脱の容易性の観点から、1本のボルトを回すだけで2本の水銀配管を、同時に確実に接続できる構造である。

重水材料 : SUS 316
ヘリウムベッセル

水銀配管着脱機構

ターゲット容器(三重壁構造)Target vessel

水銀

保護容器
(二重壁)

150A
Piping

水銀

水銀容器

ビーム窓

陽子ビーム

陽子ビーム
(Size:18x7cm2)

水銀容器

水銀は，整流板に沿って最適な流速で流れるように設計されている(クロスフロー型)

水銀ターゲット容器の設計寿命は、照射量の観点から、1MW運転時で2500時間（半年）である。

ターゲット台車と水銀循環設備
長さ : 12m
高さ : 4m
幅 : 2.6m
重量 : 290t

緩めた状態

整流板

ヘリウムガス
(保護容器と水銀容器の間に充填)

締結時

ターゲット容器遠隔交換プロセス

水銀循環ポンプ
サージタンク

交換頻度 2回／1年(1MW運転時)

水銀配管熱交換機 (550kW)(150A)

ターゲット容器重量 1.4 t
保管容器の開放水銀ターゲット容器

レール（全長 23m）

水銀充填量 1.5m3
最大水銀流量 50m3/h（定格運転時：41m3/h）

台車駆動装置(最大速度 20mm/s)

交換台車の移動中性子源ステーション

ターゲット台車に接続

7m

水銀ターゲットシステム

交換完了

水銀漏洩検知システム

高出力化への課題

機器の破損に伴う水銀漏洩を即座に検知するために、水銀漏洩検知システムを各機器に導入すると共に、水銀漏洩の拡散を最小限に抑える構造としている。

・水銀容器内部では、陽子ビーム入射に伴い水銀の熱膨張に起因する圧力波が発生し、容器へと伝播する。
・水銀容器内壁には、キャビテーションによる損傷が形成される。

水銀ターゲット容器
・５つの水銀漏洩センサを独立して設置し信頼性を高める。
・水銀に含まれる放射性希ガスを監視することで水銀漏洩を検知する。
・封じ込め壁により、先端部の破損に伴う水銀漏洩の拡散を防止する。
φ10mm ヘリウムガス
監視システム封じ込め壁

キャビテーション損傷

衝撃力
パルス陽子ビーム入射
圧力波の伝播熱膨張フロントスペース
リアスペース
水銀漏洩センサ

漏洩水銀捕集タンク（フロントx2，リアｘ3）

ターゲット台車と水銀循環設備
・６つの漏洩センサーを設置して漏洩箇所の特定を容易にする。
・キャッチパンと漏洩水銀用配管により漏洩水銀を局在化して捕集する。

水銀・キャビテーション損傷は容器の構造強度を著しく劣化させる。
・水銀ターゲット容器の高寿命化、高出力化に向けて、 マイクロバブル注入及び表面改質により、圧力波、 キャビテーション損傷を抑制するための技術開発。

中性子源ステーション“世界最高性能”“世界最高性能” のの中性子パルスを，ユーザーへ！
中性子パルスを，ユーザーへ！

水銀ターゲット
3GeV陽子１個から約80個，１MW時毎秒1017個の中性子を生成.
非結合型

モデレータ （３台）
1.5MPa，20K（-253℃）の超臨界水素を循環，ターゲッ
トで生成した中性子のエネルギーを10桁近く落とす.

ポイズン型

反射体 （１mφ×１m）
ベリリウム（内側）及び鉄（外側）製ブロックで，中性子の散逸を防ぎ，中性子強度を高める.

結合型

６重管構造
QuickTimeý Ç²TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃ ÉsÉNÉ`ÉÉ Ç¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïK óvÇ-Ç ÅB

シャッター
厚さ２mの鉄遮蔽体を上下駆動させることにより中性子ビームの通過/遮断を制御.

中性子ビーム

陽子ビーム

遮蔽体
鉄鋼とコンクリートを主要材料とし，高エネル
ギー中性子を遮蔽.
ステーション全体で約4,000トンの鉄鋼材料.

直径 10m

モデレータの性能 （1MW定格運転時）#

時間積分 ピーク中性子
パルス幅
中性子束 束（@10 meV ） （@10 meV）
2[μs]
[n/s・cm ] # [n/eV・s・cm2] #

モデレータ
タイプ

ビーム
ポート数

結合型

114.6 x 108

非結合型60.95 x 108

ポイズン型
（厚い側）

3ポイズン型（薄い側）

30.38 x 10

6.0 x 1012

92

3.0 x 1012330.65 x 1082.4 x 10

12228

1.4 x 101214

結合型
非結合型
ポイズン型

中性子パルス

モデレータから10m離れた位置での値.

結合型モデレータ：
パルスピーク強度、１パルスの時間積分強度で、世界最高
非結合型モデレータ： 短パルス幅のエネルギー上限を、世界最高の1eVまで拡張
ポイズン型モデレータ： より鋭いパルスを目指して中性子源用モデレータ冷却システム
ヘリウム冷凍システム
液体窒素

モデレータに超臨界水素を循環させる
モデレータに超臨界水素を循環させる
日本初のヘリウム-水素冷凍システム
日本初のヘリウム-水素冷凍システム

水素循環システム
水素循環ユニット

水素循環系
水素輸送配管

カプラ

TC

吸着器

162 ｇ/s

温度18～21 K

設計圧力

2 MPa G

熱負荷

約5 kW

ヒーター
熱交換器
膨張タービン

圧縮機

循環流量

熱交換器

ヒーター
オルソ･パラ変換器
P

ﾊﾞｯﾌｧﾀﾝｸコールドボックス

ヘリウム冷凍系
ＤＭ ＰＭ

アキュムレータ

水銀ターゲット
ＣＭP

モデレータ

循環ポンプ

循環流量

285 ｇ/s

冷却部温度17～21 K

設計圧力

2 MPa G

冷凍能力

6 kW at 17K

主な特徴 水素保有量を少なくするため、水素容積を250リットルまで低減
 効率よく冷中性子を生成するため、パラ水素99%以上の超臨界水素（約20K,1.5MPa）を採用
 水素ループの圧力変動を調整するため、ヒータとアキュムレータによる調整機構を採用
 水素循環系の安全を確保するため、水素配管等に不活性ガスのブランケット構造を採用

コールドボックス

水素循環ユニット

1m

コールドボックス外観

水素輸送配管
モデレータ
低温水素設備室

水素循環ユニット外観

1m

中性子源ステーション

3NBT
3NBT

3GeV陽子ビーム輸送施設
3GeV陽子ビーム輸送施設

加速器で造り出された大強度陽子ビームを加速器で造り出された大強度陽子ビームを物質・生命科学実験施設へ輸送
物質・生命科学実験施設へ輸送
均一な磁場分布をもつ高性能電磁石108台が、300ｍ余の長さのビームライン
トンネル内に100μmの高精度で設置安定性に優れた直流電源により、ビームライン電磁石を励磁
超純水による強力な機器冷却システム

電磁石電源
電磁石電源
3NBT棟
3NBT棟

冷却水設備
冷却水設備
陽子ビームの位置や形状を検出する
高感度ビームモニターにより、安全で安定したビーム輸送を実現

陽子ビームは、100億分の1気圧という超高真空に保たれたビームダクトの中を輸送
3NBTトンネルに整然と3NBTトンネルに整然と並べられた電磁石並べられた電磁石