Technical investigation on small water leakage incident occurrence in mercury target of J-PARC

J-PARCの水銀ターゲットで発生した微小な水漏洩に関する技術的調査

羽賀 勝洋  ; 粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 直江 崇   ; 高田 弘   

Haga, Katsuhiro; Kogawa, Hiroyuki; Wakui, Takashi; Naoe, Takashi; Takada, Hiroshi

J-PARCの核破砕中性子源で稼働中の水銀ターゲット容器は、水冷却流路を有する保護容器で水銀容器を覆う薄肉の多重容器構造であり、ステンレス316L鋼を材料に用いている。2015年、陽子ビーム出力500kWで運転中に保護容器から冷却水が滲出する事象が発生したため、原因究明の調査を行った。目視検査、模擬体による試験や解析評価の結果から、製作過程において水銀容器と保護容器を締結するボルト頭部の溶接で生じた大きな熱応力により隣接する拡散接合に欠陥が生じ、更にビーム運転中のビームトリップ毎に付加される繰り返し熱応力による熱疲労で、シール溶接部に欠陥が生じたことが原因と考えられた。このことから、製作過程における溶接部の初期欠陥を排除し、溶接構造部の堅牢性と信頼性を確保する重要性が改めて認識された。次の水銀ターゲット容器は、ワイヤー放電加工による一体構造の部品を多用し、溶接個所を低減するとともに、初期欠陥を排除すべく試験検査を強化するなど大幅な改良を施し製作された。この水銀ターゲット容器のビーム運転は2017年10月から開始される予定である。

The mercury target vessel used for the spallation neutron source in J-PARC has multi-walled structure made of stainless steel type 316L, which comprises a mercury vessel and a water shroud. In 2015, water leak incidents from the water shroud occurred while the mercury target was operated with a proton beam power of 500 kW. Several investigations were conducted to identify the cause of failure. The results of the visual inspections, mockup tests, and analytical evaluations suggested that the water leak was caused by the combination of two factors. One was the diffusion bonding failure due to the large thermal stress induced by welding of the bolt head, which fixes the mercury vessel and the water shroud, during the fabrication process. The other was the thermal fatigue failure of the seal weld due to the repetitive beam trip during the operating period. These target failures point to the importance of eliminating initial defects from welding lines and to secure the rigidity and reliability of welded structures. The next mercury target was fabricated with an improved design which adopted parts of monolithic structure machined by wire EDM to reduce welding lines, and intensified inspections to eliminate the initial defects. The operation with the improved target is planned to be started in October 2017.