Micro-impact damage caused by mercury bubble collapse

水銀バブル崩壊によるマイクロインパクト

二川 正敏  ; 直江 崇*   ; 粉川 広行  ; 伊達 秀文*; 池田 裕二郎

Futakawa, Masatoshi; Naoe, Takashi*; Kogawa, Hiroyuki; Date, Hidefumi*; Ikeda, Yujiro

J-PARCに設置される核破砕パルス中性源には、ターゲット材として液体水銀を使用する。大強度陽子線入射時には、熱衝撃に伴う圧力波が水銀中に発生する。この圧力波の伝播過程で水銀中でキャビテーション気泡が生成し、気泡崩壊に伴う局所衝撃がターゲット容器の水銀接液界面に負荷する。本報では、液体水銀衝撃パルス負荷実験により形成したキャビテーション衝撃壊食痕、すなわちマイクロピット形状から局所衝撃力を評価した。さらに、気泡崩壊時に発生するマイクロジェット衝撃力を液球体による固/液界面の衝撃問題として数値解析を行い、実験結果と比較した。その結果、ピット半径と深さの比に着目すれば、マイクロジェット衝撃速度を推定できることがわかった。さらに、MW-classの水銀ターゲットでは気泡崩壊時に300m/s程度の衝撃負荷が発生することが推定された。

Mercury target will be installed at the material science and life facility in J-PARC, which will promote innovative science. The mercury target will be subjected to the pressure wave caused by proton bombarding in the mercury. The pressure wave propagation induces the cavitation in mercury that imposes localized impact damage on the target vessel. The impact erosion is a critical issue to decide the lifetime of target. An electromagnetic impact testing machine, MIMTM, was developed to reproduce the localized impact erosion damage and evaluate the damage formation. Additionally, droplet impact analyses were carried out to investigate the correlation between isolate pit profile and micro-jet velocity. We confirmed that the value of depth/radius was applicable to estimate micro-jet velocity, and the velocity at 560 W in MIMTM equivalent to 1MW proton beam injection was 300 m/s approximately.