Bubble dynamics in the thermal shock problem of the liquid metal target

液体金属ターゲットの熱衝撃問題におけるバブル動力学

石倉 修一*; 粉川 広行  ; 二川 正敏  ; 菊地 賢司; 日野 竜太郎; 荒川 忠一

Ishikura, Shuichi*; Kogawa, Hiroyuki; Futakawa, Masatoshi; Kikuchi, Kenji; Hino, Ryutaro; Arakawa, Chuichi

出力1MW,パルス幅1sの陽子ビームが入射した時に水銀ターゲット容器に発生する熱衝撃応力を解析した。初期圧52MPaが水銀中を伝播することにより61MPaの最大負圧を生じる。この負圧の発生によりキャビテーションの生成が予想される。そこで、キャビテーションの挙動を調べるために、単一バブルに対してバブル動力学から導かれる運動方程式のシミュレーションを行い、パラメータ解析を実施した結果、ターゲット容器ウィンドウ部の圧力が変化することによりバブルが1000倍以上に膨張することがわかった。その結果、波動伝播に影響を与えることになるが、バブル液体の状態方程式は多項式近似が可能である。また、静的・動的試験により液体の臨界圧力,音速,共振周波数を測定することにより、水銀中に内在するバブルの半径や体積率の判定が可能となることが示唆された。

The thermal shock stress in the mercury target vessel was analyzed: the target receives the incident proton beam at the energy of 1 MW with the pulse duration of 1ms. Negative pressure of maximal 61MPa was generated when the initial pressure of 52MPa propagated in mercury. It is expected then that the cavitation may be arisen by the negative pressure. So in order to know the cavitation behavior, the simulation study was carried out by using the equation of motion based on the bubble dynamics for a single bubble, and fundamental parameter analysis was carried out. It is found that a bubble has a potential expansion more than 1000 times with a change of the pressure at the window of the target vessel. Consequently wave propagation will be affected. Theoretical consideration was given to the wave motion of propagation in bubbly liquid. The equation of state in bubbly liquid can be approximated by the polynomial. The diameter of a bubble and the bubble volume fraction inherent in mercury can be decided if the critical pressure, the sound velocity, and resonance frequency is successfully measured by static and dynamic experiment.