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中性子散乱施設用液体金属ターゲットの構造評価,4; ターゲット容器ウィンドウ部の破壊力学的考察

Structural integrity of heavy liquid-metal target installed in spallation neutron facility, 4; Consideration by fracture mechanics of target container window

石倉 修一*; 粉川 広行; 二川 正敏; 菊地 賢司; 羽賀 勝洋; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

Ishikura, Shuichi*; Kogawa, Hiroyuki; Futakawa, Masatoshi; Kikuchi, Kenji; Haga, Katsuhiro; Kaminaga, Masanori; Hino, Ryutaro

中性子散乱施設用液体金属(水銀)ターゲットの開発における工学的課題を明らかにするために、3GeV/1MWのパルス状陽子ビームがクロスフロー型液体金属ターゲットに入射するときの定常熱応力と動的熱衝撃解析を行った。解析モデルは、実機構造を模擬した半円筒ウィンドウ型と平板ウィンドウ型の2種類の構造を対象とし、NMTC/JAMによる核破砕発熱計算結果をもとに、衝撃解析コードLS-DYNAを用いて解析した。その結果、動的熱衝撃により発生する応力は、最も厳しい環境にあるウィンドウ中心部で半円筒型よりも平板型の方が構造設計上有利であり、応力分類として2次応力的な性質を持つことがわかった。また、ターゲット主要部に発生する応力は曲げ応力,疲労強度ともにJISの基準を満足していることがわかった。ウィンドウ内面で水銀が負圧になりキャビテーションが発生し、ターゲット容器に損傷を与えることが実験により確認されたため、生成するピットとピット先端のき裂を対象に破壊力学的観点から評価した結果、ウィンドウ先端部では定常熱応力により圧縮応力場にあり、き裂は進展しないことがわかった。また、水銀ターゲットを設計するにあたり、今後必要となるキャビテーションの評価手法について整理した。

To estimate the structural integrity of the heavy liquid-metal (Hg) target used in a MW-class neutron scattering facility, static and dynamic stress behaviors due to the incident of a 1MW-pulsed proton beam were analyzed. In the analyses, two-type target containers with semi-cylindrical type and flat type window were used as analytical models of the structural analysis codes LS-DYNA. As a result, it is confirmed that the stress generated by dynamic thermal shock becomes the largest at the center of window, and the flat type window is more advantageous from the structural viewpoint than the semi-cylindrical type window. It was confirmed to erosion damage the target container by mercury's becoming negative pressure in the window and generating the cavitation by the experiment. Therefore, it has been understood that the point top of the window was in the compression stress field by the steady state thermal stress because of the evaluation from destroying the dynamic viewpoint for the crack in the generated pit and the pit point, and the crack did not progress.

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