Structural integrity of beam window of mercury target

水銀ターゲットビーム窓の構造健全性

粉川 広行  ; 石倉 修一*; 二川 正敏  ; 神永 雅紀  ; 日野 竜太郎

Kogawa, Hiroyuki; Ishikura, Shuichi*; Futakawa, Masatoshi; Kaminaga, Masanori; Hino, Ryutaro

大強度陽子加速器計画の下で設計が進められているMW級核破砕中性子源には、高密度の熱の除去等の観点から水銀ターゲットが用いられる。パルス陽子ビームが水銀ターゲットに入射すると、水銀の急激な熱膨張によって圧力波が発生し、その圧力波の伝ぱにより、SUS316L製の水銀ターゲット容器には、過大な動的応力が発生すると同時に、容器は変形して水銀中でキャビテーションを引き起こし、ターゲット容器の構造健全性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、水銀ターゲット容器、特にビーム窓の構造健全性を評価するために、1MWパルス陽子ビーム入射条件下での動的応力挙動を有限要素法によって解析した。半円筒状、及び平板状ビーム窓を持つ2種類のターゲット容器を解析モデルに用い、両者の結果を比較した結果、圧力波によってビーム窓で発生する動的応力が2次応力として取り扱うことが可能であり、平板状ビーム窓を持つターゲット容器が半円筒状ビーム窓のターゲット容器よりも構造的な観点から有利であるであることを明らかにした。

The developments of a MW-class spallation neutron source facility are being carried out under the high-intensity proton accelerator project promoted by JAERI and KEK. A mercury target will be used as a neutron source in the facility. The mercury target vessel made of 316LSS will be subjected to pressure wave generated by rapid thermal expansion of mercury due to a pulsed proton beam injection. The pressure wave will make huge stress on the vessel and will deform the vessel, which would cause cavitation in mercury. To estimate the structural integrity of the mercury target vessel, especially beam window, dynamic stress behaviors due to 1MW-pulsed proton beam injection were analyzed by using FEM code. In the analyses, two types of the target vessels with semi-cylindrical and flat type windows were used as analytical models. As the results, it has been understood that the stress generated in the beam window by the pressure wave could be treated as the secondary stress. Also it was confirmed that the flat type window would be more advantageous from the structural viewpoint than the semi-cylindrical type window.