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DESIGN OF 1OOKW PROTON BEAM STOPPER FOR BTA IN JAERIKAWAI' K. SAKOGAWA"*, M. MIZUMOTO, J. KUSANO
K. HASEGAWA, H. OGURI, N. ITO and H. MURATA***
Japan Atomic Energy Research InstituteTokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-11，JapanABSTRACT

The design study on the proton beam stopper with 100 kW average power of BTA (Basic Tech­nology Accelerator) has been made as a one of the activities of the OMEGA Project. The stopperis composed of copper plates and a sheathing of carbon fiber cmplex material and tungsten alloy
W-30Cu. Heat flux input at the beam stopper is assumed 1,68 and 5MW/m2. Analysis of temprature
distributions and thermal stress is made with the finite element method code ABAQUS. The calculared results verify that the stopper satisfies the design criteria on thermal properties.
原 研 B T A の 1 0 0 k W 陽子ビームストッパーの設計
表 1 ビ-ムスト7ハ。-の設計例

1. はじめに原研では、OMEGA計画の一環として大強度陽子加速器の開発を行っている卜3、 その前段部の加速器である技術開発用加速器 B T A は、 ビームエネルギ
一 lOMeV、平均ビーム電流 10mA ( ピーク電流100mA、10ms幅）で運転される。BTAのHEBT系では、 100kW

装 置

FMIT原型機 JT60

目的ビーム

ヒ、ムスh ハ。
- NBI厂ンフ° ダイハ夕〜100kV d
10MeV p100kV pの過酷な熱負荷条件に耐えるビームストッパーが必

入熱密度5 MW/m2要である。今回その設計を行った。以下、ストッパ材 料形 状
平 板
冷却チャネル 非円形

一の構造と熱 • 応力解析の結果を示す。
2 . ビームストッパーの構造設計に際して熱的な条件は、入射ヒゝムハ。
ルスが10ms、 100Hzであることから、平均値の100k胃を考慮すれば良い。 しかし、 これをD T L を出たのと同程度のビームサイズで受けることは、ほとんど不可能であり、入熱密度を下げる必要がある。因みに、 ビー
ムストッパーの設計例4-6〕を 表 1 に示す。ビームス卜ッパーの基本的な形状は、入射ビームの種類、エネルギーが同じ F M I T 原■機を参考に銅製平板形状とし、 ビームを斜めに受けることとした。そして、入熱密度の条件は、 ビームが正規分布しているとして中心部（冷 却 チ ャ ネ ル の 幅 直 径 lcm内）で1.68MW/m2と SMW/ni2 め 2 ケースをとった。 この条件を満たすには、それぞれ* Toshiba Corporation
本木 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd,
林本 Sumitomo Heavy Industries, Ltd.

ITER

5 HW/m2
15 MW/m2
CC#+Cu
黒鉛被覆銅 0.2»Ag+Cu
鉢 型
円 形

平 板
一ビームサ イ ズ ：30cmと20cm
ビーム入射角：15度と20度とすれば良い。
熱吸収の面と機械的強度からは、熱伝導度の優れた銅をストッパーの基板とする。 しかし、鋼 は 10
MeVの陽子と(p,n)反応により 2 次中性子を大量に生成するという問題がある。従って、微 量 の 13Cが 2 次中性子を生成するものの、主 成 分 の 12C が全く生成しない炭素を銅の表面を被覆することによって、中性子生成を抑制することができる。 しかし、その場合、最も一般的な材料の黒鉛を採用すると熱伝導度が低いために炭素の表面温度が非常に高くなる。例えば、F M I T 原型機の場合には、厚さ6 mmの黒鉛が用Iヽられたが、その表面温度は1,400てにもなる。最近、熱伝導度が非常に良好な炭素繊維複合 材 料 （C C 材）が開発され、核融合炉 I T E R のダイバー夕材として検討されている。 これは、繊維— 301一

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方向の熱伝導度が銅並みに高いことと、繊維垂直方向の熱膨張率が金属なみに高t、という特徴を持っている。従って、 B T A のビームストッパーの被覆材としてこの炭素 C C 材を採用することにした。

C C 材の難点は、繊維を束ねてできているだけに、銅板に接合する際の高温での加工時や長期に使用した場合に亀裂が入ることで、後者の場合、陽子ビームが銅板を直接にたたく危険性がある。その主要因は、 C C 材と基板の銅の熱膨張率の違いによる熱応力である。特に、 1 次 元 C C 材 （例えばMFC-1) では、その可能性がある。その対策も含めて、 ビームストッパーの構造を下記のように選定した。

a) C C 材の熱応力対策と照射損傷時の交換を容易にするため、タ イ ル 方 式 （50伽1X50画！
角程度のサイズ）を採用。 これによりモジュール化が可能である。

b)C C 材の熱応力による亀裂対策として、• [MFC1 10mm / W-30Cu 3mm /Xu 3mm] の組み合わせ
第 2 層のタングステンの合金 W-30CUは熱膨張率がMFC-1とほとんど同じで、機械的強度が強いので、銅の熱応力をこの層と銅の塑性変形で吸収することができる。
タイル接合材は、タイル交換の頻度が高いと考えられるビーム中心部でははんだ叉は低温銀鐵（融点400て以下）を用い、交換が不要な周辺部には銀鐵(融点〜800°C)を用いる。
冷却系は、図 1 に示すように銅板中にピッチlcmの間隔で配列した断面が 0.643 cm2の縦長のチャネ
ル24本で構成する。各チャネルはストッパーの外縁!0M«Vで連結し、全部で 4 ループとする。給水温度は 25て、
流 速 は 4 m / s とする。

3 . 熱設計
a. ft# 法
熱設計の課題は、主要部の温度と C C 材の熱応力である。具体的な目標は下記の通りである。

C C 材表面温度： 1,00(TC以下
タイル下面温度： 400°C以下
冷却チャネル壁面温度：180°Cを越えない(蒸 気 圧 10気 圧 以 下 ；サブクール沸騰許容）
冷却水出口温度： 100て以下
熱応力F ：C C 材に破損を来たさない(MFC1では F<0.3kgf/mm2)
ビームの 分布につ い て 正規分布を仮定、 1 次元の熱伝導の解析式と直管乱流の冷却式を使用し、最も入熱条件の厳しt、ビーム中心位置での水温などの温度分布を評価した上で、ABAQUSコードにより詳細計算を行った。その計算に必要な縦長の冷却チャンネ
ル壁面での熱伝達率h : (A -de) Nu ( X :水の熱伝導率）
は、流体での代表的な無次元量ヌセルト数に関する
Dittus- Boelterの 式 (104^Re^l0\ UPr^lO)

Nu : 0- 023 Re0* 8Pr°-4によって求めた。ここで、deは 等 価 直 径 (d；=4S/L=0.679丽、S:チャネル断面積、L:チャネル周長）
であり、Reと Prはそれぞれ無次元量のレイノルズ数とブラントル数である。 これらの無次元量は、
Re = 7.158xl04、Pr = 2.331 (77°Cの値 ) 、Nu =247となる。その結果得られた熱伝達率は 24.2 kff/(m、K)となる。また、入 熱 密 度 が 1.68 MW/m2と 5MW/m2の時の水温は、29.1°Cと37.3°Cである。その他のABAQUS計算の物性値は文献 5 から採用した。
ABAQUS計算は、先ず 1/2セ ル 2 次元モデルにより温度の詳細分布を求めた。その結果に基づいて熱応力計算を実施したが、隣接するタイルとの境界条件の設定により結果がかなり影嚮されるため、 3 次元モデルによって熱応力計算を行った。

b. 職 結 果(全体図）
図1（基本そグ广ル構造）

ビームストッパーの概念図

ビームストッパ一^^の入熱量が、 1.68MW/m2と5MW/m2のそれぞれの場合において代表的な位置での温度について、ABAQUSコードの結果と解析式での結果

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表2(1.68M«f/m2の時のみ)を比較して図 2 に示す。入熱量が 1.68MW/m2の時はもちろんのこと、5MW/m2の場合でも、熱的にもっとも厳しい冷却チャネル表面を含めて設計条件をみたしていることがわかる。また、
ABAQUS計算結果と解析値を比較すると、両者は、チャネル頂点温度に相違があるが、頂点から C C 材表面までの多重層での温度上昇については、81.2°Cと85.5°Cとかなり近い。
図 3 には、 3 次元モデルによる1.68MW/m2の入熱

入熱条件

熱変位と熱応力の最大値

1.68MW/miD2

5. OMW/腦 232.9 ^ m103.2从m
横方向
59.3//m18.8/zm
縦方向
MFC-1層 引張応力 -25〜2g/fflm2 -90〜8g/mm2
W-30Cu層 ミゲス応カ 4.61kg/mm2 13.8kg/mm2
5.42kg/mm2 16.2kg/mm2Cu層
ミセ#ス応力熱変位における熱変位の計算結果を示す。 さらに熱変位と熱応力について表 2 に示す。最大熱変位は、面に沿う方向(横方向）で 103//m、縦方向で59.3#mである。
その場合、MFC-1には横方向に最大0.008kg/腿 2の引っ張り応力がかかる。 これはMFC-1の限 界 応 力 0.3kg/mm2を下回っている。また、W-30Cuと銅についてミゼス応力の最大値は、 13.8kg/mm2と16.2kg/mm2である。ただし、銅については、0.2X塑性変形の耐カ7kg/mm2を越えており、塑性変形は避けられない。
なお、第 2 層のW-30Cuを銅で置き換えた場合には、横方向の最大変位量が 131/zmに増加し、MFC-1での最大引っ張り力は 133g/fflm2に増える。 この場合のMFC-1の下面の温度は高々308°Cである。従って、加エ温度として考えている 800°Cまで上げた場合は、360g/mm2の引っ張り力がかかり、MFC-1を破損する可能性がある。 このため、第 2 層の応力緩衝材があることが望ましい。
また、冷却水の出口温度は48.4°Cである。圧損は、コ-ル;T ルフクの式による摩擦係数を用いると1.94気圧を得る。

3 • まとめ
以上の結果より、本設計によるビームストッパーは熱的に問題の無いことが確認できた。今後の課題として、 C C 材の選定や冷却系も含めて設計の詳細化と最適化、 ビームストッパーの製作性の検討が、さらに設計精度確認やc C 材の損傷影響と寿命の検討が挙げられる。そのため、 B T A 試験器の2MeVの陽子ビームでのモックアップ実験を検討している。
参考文献

1 ) H. Hizumoto, et al., ICENES’93, Makuhari,p. 453 (1993).
2) M. Hizumoto et al., 第 17回本研究会予稿集，p.121(1992).
3) J. Kusano, et al. , 本研究会
4) D. Liska, private cominunication.
5 ) 宮1 3 , 日本原子力学会誌，29巻，p.855 (1993).
6) I. Smid, etal., JAERI-M 93-149 (1993).

m (て）8 MW/m2

5 MW/m2

ABAQUS解析値

ABAQUS

1. 6154.8

184.0

4 37

123.8

150, 1106,5132.9

3 24
270

93. 7120.0

23 173.6

98.5

17 0o60

図2

主要点での温度の比較

図3

入熱密度 1.68MW/ni2の時の熱変位