水銀球衝突によるマイクロピット形成挙動

Micro pit formation by mercury-sphere collision

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

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

原研とKEKは共同で、大強度陽子加速器を用いた複合研究施設(J-PARC)の建設を進めている。その中核設備となるMW規模の核破砕中性子源に用いる液体水銀ターゲットが約1MWのパルス状陽子ビーム(パルス幅1ms)を受けた時、瞬時の熱膨張による圧力波が発生し、ターゲット容器に負荷すると同時に、キャビテーションの発生原因ともなる。キャビテーションが崩壊する時に誘起される水銀マイクロジェットが固体壁へ衝突する時のマイクロピット形成挙動を検討するために、水銀の状態方程式の非線形性と固体壁材料の降伏応力の歪速度硬化依存を考慮して、単一気泡を対象とした気泡動力学に基づき、水銀球が固体壁に衝突する解析を実施した。その結果、静的降伏応力が高い材料の場合、ピットの深さを抑制できるなどの、マイクロピットの形成と材料強度との関係を理解するうえで、重要な結果が得られた。

The development of a MW-class spallation neutron source facility is being carried out under the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) Project promoted by JAERI and KEK. A mercury target working as the spallation neutron source will be subjected to pressure waves generated by rapid thermal expansion of mercury due to a pulsed proton beam injection. The pressure wave will impose dynamic stress on the vessel and deform the vessel, which would cause cavitation in mercury. To evaluate the effect of mercury micro jets, driven by cavitation bubble collapse, on the micro-pit formation, analyses on mercury sphere collision were carried out: single bubble dynamics and collision behavior on interface between liquid and solid, which take the nonlinearity due to shock wave in mercury and the strain rate dependency of yield stress in solid metal into account. Analytical results give a good explanation to understand relationship between the micro-pit formation and material properties: the pit size could decrease with increasing the yield strength of materials.