水銀標的の気泡注入性能向上のための機械学習を用いた最適化

粉川 広行; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 都築 峰幸*; 村井 哲郎*

JAEA-Technology 2022-023, 128 Pages, 2022/11

JAEA-Technology-2022-023.pdf:9.0MB

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設では、ステンレス製の水銀標的容器内で流動する水銀にパルス陽子ビームを繰り返し入射し、核破砕反応により生成する中性子を最先端科学実験に供する。パルス陽子ビーム入射に伴い、水銀中には圧力波が発生し、圧力波の伝播と容器変形の相互干渉に起因するキャビテーション損傷、特に陽子ビーム入射部の損傷が標的容器の寿命を支配する。圧力波及び損傷の低減対策として、ヘリウムの微小気泡を水銀中に注入する方法を開発し、圧力波及び損傷の低減を実証した。所期の1MWの大強度陽子ビーム下における水銀標的容器の耐久性を向上させるには損傷をさらに低減する必要がある。微小気泡による圧力波低減効果の向上には、水銀中での直径が150m以下である気泡の体積含有率を高めることが求められる。気泡生成器から注入した気泡は浮力による上昇や流動過程での合泡などを起こし、水銀内を流動中に気泡の体積含有率は低下する。気泡生成器の設置位置を損傷が激しいビーム入射部に近づければ、ビーム入射部近傍の気泡体積含有率の低下を防ぐことが可能である。しかし、ビーム入射部に近づくほど、気泡生成器の設置空間が狭く流動抵抗が大きくなるため、冷却に十分な水銀流量の確保が困難になることや、水銀流速の低下により生成気泡径が大きくなる等の弊害が生じる。そこで、標的容器のビーム入射部近傍でより小さな気泡を高い密度で分布できるように、標的容器内部における気泡生成器の形状や設置位置、さらに水銀流動案内羽根の形状に関して機械学習による設計の最適化を試みた。気泡分布を考慮した水銀標的構造の設計では、多数の設計変数を考慮する必要があることから、ラテン超方格法に基づき約1000ケースの設計変数について数値解析を実施し、その結果を学習データとしてビーム入射部近傍での気泡分布(サイズや数密度)が最適になる設計を決定した。水銀の流量は標的容器の温度に、気泡生成器の形状は製作性や生成気泡径に影響を及ぼすことから、これらを制約条件とした。その結果、ビーム入射部近傍で半径が150m以下の気泡の密度を約20%増大できる解を見出した。

Current status of pulsed spallation neutron source of J-PARC

高田 弘

JAEA-Conf 2017-001, p.51 - 56, 2018/01

https://doi.org/10.11484/jaea-conf-2017-001

大強度陽子加速器施設(J-PARC)のパルス核破砕中性子源は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、ビーム強度1MWの陽子ビームで生成した中性子ビームを中性子実験装置で利用し、物質科学の多様な先端的研究を推進することを目的としている。2015年には、1MW相当の陽子ビームパルスを初めて入射し、また、利用運転のビーム強度を500kWに上げた。この中性子源の減速材システムは最適化設計により、(1)濃度100%のパラ水素を使用して高いピーク強度かつ幅の狭いパルス中性子ビームをつくる、(2)直径14cm、長さ12cmの円筒形状を採用し、高強度の中性子を50.8の広角度範囲に取り出すことができる、(3)Ag-In-Cd合金による中性子吸収材を使用し、幅が狭く減衰の早いパルス中性子が得られる。これにより、世界最高強度のパルス中性子ビームを供給する性能を有している。現在、1MWで年間に5000時間の運転を行うという目標に向けて、水銀標的容器前部で生じるキャビテーション損傷を、微小気泡を注入して抑制する技術開発を実施中である。また、2015年に500kWのビーム強度で運転中、水銀標的の水冷保護容器が2回不具合を起こしたため、標的容器構造の設計改良に取り組んでいる。

Thermal hydraulic design of double-walled mercury target vessel

羽賀 勝洋; 直江 崇; 涌井 隆; 粉川 広行; 木下 秀孝; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCの1MW核破砕中性子源の水銀ターゲット容器では、大強度のパルス陽子ビーム入射に伴い水銀中で発生する圧力波で誘起される容器壁面のキャビテーション損傷が、容器寿命を左右する重要な要因となる。これまでの解析的及び実験的研究や、米国のSNS施設の運転経験により、壁面近傍の速い水銀流れがキャビテーション損傷を抑制する効果を持つことが分かってきた。同様な効果を得るために、J-PARCのターゲット容器において陽子ビームが入射する壁面(ビーム窓部)の内側に壁を設けて二重壁構造とし、幅2mmの狭隘流路を形成した。計算コード(ANSYS Fluent)を用いた解析の結果、狭隘流路内では水銀流速を4m/sにまで高められることが分かった。また、内壁に円形の穴を設けたモデルをつくり、損傷による影響を解析および水実験で調べた結果、穴の大きさが10mm程度なら狭隘流路内の水銀流速への影響は小さく、外壁(ビーム窓部)へのキャビテーション損傷の抑制効果は維持できる可能性のあることを見い出した。

流れ場におけるキャビテーション気泡崩壊挙動の実験的考察

川村 駿介; 直江 崇; 池田 翼; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCのパルス核破砕中性子源で使用されている水銀を内包するステンレス鋼製のターゲット容器は、陽子線入射時に発生する水銀中圧力波が引き起こすキャビテーションによる損傷を受ける。この損傷を低減するために、ターゲット容器の先端部には狭隘流路を有する二重壁構造のターゲット容器が施されている。狭隘流路構造においてよるキャビテーション損傷が低減される効果があることが実験的に確認されているものの、その損傷低減のメカニズムは明らかになっていない。本研究では、狭隘流路内でのキャビテーション気泡の挙動を把握するための基礎研究として、まず、流動条件下で、水中火花放電により発生させたキャビテーション気泡の成長・崩壊挙動を高速度ビデオカメラを用いて詳細に観察すると共に、気泡崩壊時の壁面の振動を測定した。その結果、流速の増加に伴い、気泡崩壊時に放出されるマイクロジェットの壁面に対する角度が下流側へ傾斜すると共に、壁面の振動が低減することを明らかにした。

核破砕中性子源水銀標的の耐久性向上に向けた研究開発,2; 気泡崩壊に伴う局所衝撃力における支配因子

川島 広之; 粉川 広行; 二川 正敏; 祖山 均*; 久慈 千栄子*; 田中 伸厚*

no journal, , 

J-PARC水銀ターゲットでは、キャビテーション損傷抑制を目的としたヘリウムガス気泡の注入が行われている。しかしながら最近、この注入ガス気泡が損傷を引き起こしている可能性が示された。高出力、耐久性向上のためには、「注入ガス気泡による損傷抑制効果」と「注入ガス気泡による損傷度合」とのバランスの最適条件を明らかにすることが重要である。本研究では注入ガス気泡の最適条件の提案を目的とし、その第一段階としてガス気泡崩壊時に生じる局所衝撃力に着目した。水中火花放電法を用いて壁面近傍に気泡を生成し、その挙動を高速度撮影するとともに、局所衝撃力による壁面での振動速度をレーザードップラー速度計で計測した。加えてKeller-Miksisの式による気泡挙動計算を行った。本報では、壁面近傍での衝撃力と気泡挙動との相関について議論する。