J-PARCハドロン実験施設における耐放射線電磁石システム

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さいぞうあきます
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1 J-PARC ハドロン実験施設における耐放射線電磁石システム広瀬恵理奈高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所概要 J-PARC では平成 21 年 1 月にハドロン実験ホールに遅い取り出しビームが導かれたここではハドロン実験ホールターゲット近辺に実際置かれ運転している耐放射線電磁石のリモートハンドリングについて報告する高放射線環境であるためビームライントンネルにある電磁石に対して 3mの遮蔽を積みその上で人間が近寄ってメンテナンスを行う電磁石の冷却水や電力を3mの遮蔽上へ取り出す方法や万が一電磁石が壊れたときに電磁石を交換するための電力冷却水信号の速着脱方式電磁石本体の遠隔着脱設置方式について報告する 1 イントロダクション 1.1 ハドロン実験施設大強度陽子加速器 J-PARC の建設は大部分 2008 年末までに完了し 2009 年 1 月には 30Ge Vの陽子ビームが取り出されハドロン実験施設のビームダンプまで導かれた 2 月には生成標的をビームラインに挿入し 2 次粒子を実験エリアまで輸送することに成功したハドロン実験施設の概要を次に述べる図 1のように 50GeVシンクロトロンから取り出された遅い取り出しビームはスイッチヤード (S Y) を経てハドロン実験ホールに輸送される図 2にハドロン実験ホールの平面図を示すが一次ビームは図面の左側のSYからやってきて右側のビームダンプへと導かれる T1で示される場所に30% ロスの 2 次粒子生成標的がある T1から K1.8やK1.1 KLなどの2 次ビームラインに2 次粒子が導かれ実験が行われるこのような大強度の施設では電磁石は非常に高い放射線にさらされる SYでのビーム停止時に比較的アクセス可能な電磁石システムについては [4] に説明されているターゲット近辺の電磁石は SYよりさらに深刻な高放射線環境におかれる本件では図 2のオレンジハッチ内で示される一次ビームラインでの電磁石システムについて報告する 1.2 ハドロン実験ホールのメンテナンスターゲット近辺の非常に高い放射線レベル内に設置される機器は人が近づくことは不可能であり故障した場合現場での修理はとてもできないそのようなところに設置する機器は高放射線下でも壊れにくいものにしそして万が一壊れたとしても遠隔からすばやく交換できるようなシステムにしなければならないそこで我々は次のように1 次ビームラインを設計した断面を図 3に示す非常に高い放射線環境なので一次ビームの通る電磁石は遮蔽体の底にあり周りには分厚い既設のコンクリートに囲まれるビームライントンネル内の電磁石は完全無機で製作したビームライン上部は可動鉄ブロック2m 可動コンクリート1mを積みその上に人が近寄ってメンテナンスができるサービススペースを設けたサービススペースでは電磁石の状態の確認や配管水漏れなど軽故障の修理ができるようにしたまたコイルの故障などの重故障の場合冷却水電力信号をすばやく着脱し電磁石を交換できるシステムを作ったさらにビーム運転時にはその上にコンクリートシールドを積んだサービススペースまでの電力の導入は

2 シールドを貫通して電力を供給するシールド貫通水冷バスダクトを用いて行った [5] 図 1. ハドロン実験施設図 2. ハドロン実験ホールの平面図

図 3. ハドロン実験ホールの断面図 2 電磁石設計 1に述べたようなメンテナンス方針に即して我々は以下のようにフルリモートの電磁石を設計した我々の電磁石は図 4のような電磁石である特徴としては口径 :100-200mm 長さ :1000-3000mm 重量 :20-40トン電流 :~3000A 電圧 :~200V 大型大電流であることが挙げられる

3 図 3. ハドロン実験ホールの断面図 2 電磁石設計 1に述べたようなメンテナンス方針に即して我々は以下のようにフルリモートの電磁石を設計した我々の電磁石は図 4のような電磁石である特徴としては口径 : mm 長さ : mm 重量 :20-40トン電流 :~3000A 電圧 :~200V 大型大電流であることが挙げられるトンネルに置かれる部分は放射線で壊れないように完全に無機の電磁石であり電磁石のコイル部分は長年我がグループが開発してきた直接水冷 Mineral Insulation Cable(MIC) を用いたコイルを採用した [6] 図 4に 3000A 用の MIC コイルの断面図が示してあるが絶縁にMgOを用いているコイルの無機化には成功しているのでこれをどのように実装するかまた万が一壊れたときにすばやく交換できるシステムにすることが課題であった電磁石マニフォールド及び電気端子はサービススペースに置きサービススペースで電気冷却水信号をクイック着脱するそのため端末を約 3.5m 垂直上方に延ばす電磁石端末の集合体を3.5m 上方に延ばす方法として我々は電磁石チムニーという方法を採用した本節では電磁石チムニーの詳細を述べる

図 4. 一次ビームラインの典型的な4 極電磁石 2.1 電磁石本体 -サービススペースまでの配管配線リード( 電磁石チムニー ) 上述した通り電磁石マニフォールドをサービススペースに置くので 1 台につき約 20 水路 40 本の水路及び電力導入端子を電磁石からサービススペースまで3.

4 図 4. 一次ビームラインの典型的な4 極電磁石 2.1 電磁石本体 -サービススペースまでの配管配線リード( 電磁石チムニー ) 上述した通り電磁石マニフォールドをサービススペースに置くので 1 台につき約 20 水路 40 本の水路及び電力導入端子を電磁石からサービススペースまで3.5m 延長する必要がある電磁石からサービススペースまでの水路と電気導入行き帰りの集合体を断面が長方形の箱に収め隙間をコンクリートで埋めたものを煙突のように電磁石に立てる方法としこれをチムニーと呼ぶことにしたまず図 51のように水路用電極用信号用のステンレスチューブを実装した約 1600mm 約 200mm 約 3.5 mで厚さ12mmの鉄箱構造のチムニー箱を作った次に放射線遮蔽上高さ方向 ( 約 3.5mの方向 ) に隙間を作らないようにチムニー箱を立てて ( 図 52) 上部から無収縮モルタルを流し固めた ( 図 53) 次に電磁石の水路は対地絶縁を施す必要があるのでチムニー箱に実装してある水路用のステンレスチューブにクリアランスが1mmの円柱セラミックチューブを通しその内側にさらにクリアランスが1mmのステンレスチューブを通し三重管構造を作った ( 図 54) この最も内側のステンレスチューブが電磁石につながる水路となる電極はもともと絶縁されている MIC を ± の2 本を四角パイプ内 ( 図 51) に通した信号線も同じくもともとセラミックヤーンで絶縁されている耐熱電線を通した ( 図 51) チムニー箱の断面が横長の長方形なのは周りの遮蔽体を積むときに便利なのと磁石の背中を開けることで吊り具の設置を可能にするためである四極磁石のチムニーは水路数が多く端末を1つにまとめることが難しく両側に2 本のチムニーとした ( 図 64)

5 図 5. 電磁石チムニーの作り方 2.2 電磁石本体ビームライントンネル部１で出来上がったチムニー箱を電磁石の背中に立てて組み立てた図６③ チムニーのステンレスチューブと電磁石端末を次の方法でつないだ図６② コイルの銅からステンレスチューブへの変換は銅ＳＵＳ変換継手を用いた銅ＳＵＳ変換継手はｔ２ｍｍのステンレスチューブと銅ブロックに対してＴＩＧ溶接にて突合せ溶接を行い銅ＳＵＳの溶け込みが０８ｍｍ以上のものを採用した銅ＳＵＳ変換継手の銅とコイルは銅ろう付けを行い銅ＳＵＳ変換継手のＳＵＳとチムニー箱のＳＵＳチューブは現場にて自動溶接機を用いて突合せ溶接を行ったこのようにトンネル内部には継手などを置かず全て溶接ろう付けにて製作したコイルの水路ブスバーなどは全て樹脂を使わず碍子でサポートし対地絶縁を施したコイルの水路のアウト側にはセラミックのバイメタル温度スイッチ８５で切れて電源を落とすを置き信号線はチムニー箱に通したセラミックヤーンの耐熱電線にて取り回した電磁石の背には後に述べる遠隔自動吊り具のためのスミ金具を置いたチムニー上部には水路の絶縁のためのセラミック絶縁管と電磁石マニホールド電極信号線を置いた図６① 図６の④ ⑤のようにダイポールＱ磁石のチムニー化を完成させた次の章からはこのチムニー電磁石のクイックシステムについて詳述する

図 6. 電磁石チムニートンネル部と全景 3 吊り具非常に高い放射線環境のためトンネル部に置かれる磁石は玉掛けに行くことができないそこで我々は遠隔から自動で玉掛けできる装置を開発している[2,4]のでこれをチムニーに応用したこの自動玉掛け装置ツイストロックは図７のようにクレーンフックにかけ電磁石の背中に装備した長穴のスミ金具の穴に

6 図 6. 電磁石チムニートンネル部と全景 3 吊り具非常に高い放射線環境のためトンネル部に置かれる磁石は玉掛けに行くことができないそこで我々は遠隔から自動で玉掛けできる装置を開発している[2,4]のでこれをチムニーに応用したこの自動玉掛け装置ツイストロックは図７のようにクレーンフックにかけ電磁石の背中に装備した長穴のスミ金具の穴にツイストロックで示されるきのこの頭のような形の吊り具が入り遠隔操作盤から電動でツイストロックを回すことで自動的に玉掛けできる装置であるこの玉掛け装置に下向きポールを装備し楔穴めがけて上方から下ろしていくとツイストロックがスミ金具に入る仕掛けであるツイストロックが無事スミ金具に入るとインターロックスイッチが押されツイストロックは回転可能となる予め計算した重心ポイントにスミ金具を設置し５ｍ上方からツイストロックを下ろし双極約２０トン四極電磁石約４０トン共に遠隔から吊り上げることに成功した

7 図 7. 自動玉掛け装置 4 アラインメントビームを正確に輸送するためには電磁石の高さ位置を0.1mmの精度でアラインメントする必要があるハドロン実験施設特有の事情として将来ビームラインを増設していく可能性が高いため将来の拡張性を考えビームが出た後非常に高い放射線環境であったとしても電磁石を遠隔から精度よくアラインメントできる必要があるそこで我々はビーム軸にピボットと呼ばれる位置決めピンを500mmピッチで設置しそれを将来に渡り設置基準とするアラインメント方式を採用した図 81のように長さ3 200mm(z 方向 ) 幅 2000mm(x 方向 ) 厚み30mmの鉄板に幅中心にピボットと呼ばれる位置決めピン ( 図 82) を500mmピッチで実装した敷板を準備した敷板には電磁石の設置中心にのぞき穴を設けたこの敷板をハドロン実験施設の一次ビームラインを網羅するため 32 枚設置したビーム軸の電磁石中心にマーカーが打ってあるのでそれを基準にアラインメントを行うビーム軸のラインを引き左右ビーム軸 ±700mmにもラインを引くこれに対して敷板にもケガキを入れ両者をセオドライトで合わせる電磁石中心のマーカーからビーム軸に垂直にケガキ線をひき敷板の電磁石マーカーのケガキとセオドライトで合わせる高さ方向はレベルを用いてスペーサー等によりビーム高さ-1050mmの高さに調節するアラインメントが完了したらアンカーで固定したさらにピボット勘合時に敷板が前後左右に動かないように図 83のようなストッパーで 4 隅を固定した

このピボットを永久基準として電磁石やモニターなどを設置することにしたピボットに対して相手の電磁石には φ５０の穴と φ５０の長穴を５００ｍｍの倍数の距離で設ける両者の勘合で設置精度０１ｍｍを達成する一方を長穴としたのは季節の温度変化により敷板そのものが伸びるあるいは敷板２枚にまたがって設置する場合躯体の伸び縮みがあった場合でも精度よく勘合できるようにするためである

8 このピボットを永久基準として電磁石やモニターなどを設置することにしたピボットに対して相手の電磁石には φ５０の穴と φ５０の長穴を５００ｍｍの倍数の距離で設ける両者の勘合で設置精度０１ｍｍを達成する一方を長穴としたのは季節の温度変化により敷板そのものが伸びるあるいは敷板２枚にまたがって設置する場合躯体の伸び縮みがあった場合でも精度よく勘合できるようにするためであるこれで図８③のピボット許容±７ｍｍの範囲に電磁石を落とし込めば０１ｍｍの設置精度が保証された次に ±７ｍｍの範囲に電磁石を誘導するガイドが必要である図３の実験ホール断面図で判るように人間が近づけるのは電磁石の位置から最低１０ｍ離れたところである１０ｍ離れた位置でクレーンのみで誘導できるのは目標に対して±５ｃｍ程度であるまた隣接する真空ダクトとのクリアランスは ±３ｃｍであるよって我々は ±７ｃｍの許容範囲から ±７ｍｍまでをガイドする当て板ガイドを採用した図８④ ④ ビームライントンネル壁面を利用し電磁石の４隅に高さ３ｍの鉄チャンネルを電磁石設置位置の±２ｃｍになるように設置した鉄チャンネルの一番上には５ｃｍを許容する楔を設け図８⑤ クレーン操作の許容範囲としかつビームライントンネルに入ってから隣の真空ダクトに当たらないようにした鉄チャンネルの一番下には ±２ｃｍから±７ｍｍまでをガイドする楔図８ ⑥ を設置した実際に１０ｍの高さからクレーン操作を行い本アラインメントガイドにより遠隔から電磁石をピボット勘合することができ最終的に０１ｍｍの精度で設置と取り外しに成功した図 8. アラインメントガイド 5 冷却水電力クイックコネクタサービススペースにはビーム停止後シールドを開ければ人が近寄ってメンテナンスを行うことができる

9 ここには冷却水とコイルとを電気的に絶縁するセラミック絶縁チューブ継手電力導入端子を置き軽故障時の修理を行うことができるまた重故障時電磁石をすばやく取り外すときのため冷却水電気信号は 1 回路 1 動作のクイックコネクタで着脱できるものとしたこの章では冷却水電力のクイックコネクタについて述べる 5.1 冷却水我々の冷却水の仕様は以下である常用圧力 :2MPa( 最高圧力 3Mpa) 常用温度 :20-70 度 ( 最高温度 100 度 ) 純水シール材はメタル我々は次に述べるメタルシールレバーカプラを用いたクイックコネクタを開発し実装したメタルシールレバーカプラの詳細は [3,4] に説明されている図 9にあるようにレバーカプラに山形の溝をつけシール材を750 で焼鈍した銅のリングとしレバーで締めて銅を0.2mm 食い込ませてシールするものであるこのレバーカプラをステンレスのフレキシブルチューブに溶接し電磁石とサービススペースをつないだサービススペース内にあるゲートバルブあるいはボールバルブで止水し磁石とサービススペースの両方についている水抜き弁からフレキシブルチューブ内の水を抜いてからメタルシールレバーカプラを取り外すサービススペースには無機化したストレーナ目視点検用温度計圧力計 0.1Mpa 以下で切れて電源を落とす差圧スイッチを電磁石毎に置いた差圧スイッチとトンネル内の磁石につけた8 0 度で切れる温度スイッチはトンネル外の電源につなぎトンネル外で電磁石の異常を知り電源を停止するインターロックとした

10 図 9. 冷却水コネクタ 5.2 電力電力の仕様は以下である ¾ 最大直流電流３０００Ａ ¾ 最大電圧２００Ｖ ¾ 絶縁材は無機我々は図１０のようにサービススペースとシールド外をつなぐシールド貫通バスダクト[5]と電磁石間を 12mm 125mm の断面積の銅バスバーを電磁石の数だけ並べたバスバーの絶縁は碍子としたサービススペースの銅バスバーと電磁石の接続には３０００Ａ級イソギンチャク型コネクタで接続したイソギンチャク型コネクタは [1]に詳述している電磁石サービススペース側には７０φの円柱があり図１０右に拡大してある写真のように上から両端にスプリングのついた接触子が被さる形である丸型のコネクタは円形方向に対して許容があるので斜めの方向に接続するときには非常に有利であるこのコネクタの温度上昇は ΔＴ４３度３０００Ａである

図 10. 電力コネクタ 6 まとめ J-PARC ハドロン実験施設の耐放射線電磁石チムニー及び遠隔吊り具システム電力冷却水のクイックコネクタ他は重大な技術的問題もなく完成させることができた本チムニー電磁石は一次ビームラインで６台Ｋ１８の２次ビームライン上流に７台実装され良好に運転することができた図１１は

11 図 10. 電力コネクタ 6 まとめ J-PARC ハドロン実験施設の耐放射線電磁石チムニー及び遠隔吊り具システム電力冷却水のクイックコネクタ他は重大な技術的問題もなく完成させることができた本チムニー電磁石は一次ビームラインで６台Ｋ１８の２次ビームライン上流に７台実装され良好に運転することができた図１１はチムニー電磁石部分に鉄シールドが積載され最後のコンクリートシールドが閉められる直前の写真である２００９年の１月に５０ＧｅＶ陽子シンクロトロンからハドロンビームラインビームダンプまで輸送され２月にはターゲットが挿入され２次粒子を実験エリアまで輸送することができた今までのビーム運転でこの電磁石システムで重大な問題は起きていない

12 図 11. 一次ビームライン電磁石が完成しシールドがほとんど閉まりつつあるハドロン実験ホール参考文献 [1] 田中万博他, KEK-JAERI Joint Project 大強度陽子加速器施設原子核素粒子実験施設建設グループハドロンビームラインサブグループ中間報告書, KEK Internal (2002) [2] 田中万博他, J-PARC 大強度陽子加速器施設原子核素粒子実験施設建設グループハドロンビームラインサブグループ第 2 次中間報告書, KEK Internal (2004) [3] 田中万博他, J-PARC 原子核素粒子実験施設技術設計報告書ハドロンビームラインサブグループ第 3 次中間報告書, KEK Internal (2007) [4] E. Hirose et al., Beam-Handling Magnet System for the J-PARC neutrino Beam Line, IEEE Transactions. on Applied Superconductivity, Vol. 16, No. 2, pp , June [5] E. Hirose et al., Shield Penetrating Water Cooled Bus Ducts for Radiation Resistant Magnets, IEEE Transactions. on Applied Superconductivity, Vol. 18, No.2, pp , 2008 [6] K. H. Tanaka et al., Development of radiation-resistant magnets for the J-PARC, IEEE Transactions. On Applied Superconductivity, Vol. 16, No.2, pp , June 2006, and other references are there in.

作業部会長からの報告資料 -2 J PARCハドロン実験施設における放射性物質漏えい事故検証に係る有識者会議作業部会 1. 作業の経過 2. 放射性物質漏えいの発生と主要な原因 3. 安全管理体制の問題点第 2 回有識者会議 2013/07/05 KKR ホテル東京 1 1. 作業の経過第 1

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