固/液界面衝突解析モデルによるピッティング損傷評価

Pitting damage evaluation by liquid/solid interface impact analysis

直江 崇   ; 二川 正敏  ; 大井 俊志; 石倉 修一*; 池田 裕二郎

Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Oi, Toshiyuki; Ishikura, Shuichi*; Ikeda, Yujiro

高出力の核破砕中性子源の開発が世界的に行われている。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、核破砕水銀ターゲットからの発生する中性子を用いて、物質生命科学の先駆的研究が展開される。陽子ビームが水銀ターゲットへ入射することにより、水銀中では熱膨張による圧力波が生じる。この圧力波の伝ぱ過程で発生する水銀中のキャビテーションは、ターゲット容器内壁に局所的な衝撃壊食損傷を形成する。この衝撃壊食は、構造健全性を低下させるため、ターゲット容器交換寿命を決定する重要な因子となる。局所的な衝撃壊食損傷を再現するために、電磁式衝撃圧負荷試験装置(MIMTM)を開発し、壊食損傷形成を評価した。さらに、独立した壊食痕形状と、キャビテーション気泡崩壊時に生じるマイクロジェットの衝突速度との相関を評価するために、液滴衝突解析を適用した。その結果、壊食痕の半径/深さで規格化した値を用いることにより、マイクロジェット衝突速度が同定可能であり、陽子ビーム入射時の損傷を再現する実験における衝突速度は、225325m/sであることを示した。また、塑性変形による壊食痕形成抑制の観点から、表面硬化処理が有用であることを示し、その有効厚さについても評価した。

High power spallation targets for neutron sources are being developed in the world. Mercury target will be installed at the material science and life facility in J-PARC, which will promote innovative science. The mercury target is subject to the pressure wave caused by the proton bombarding in the mercury. The pressure wave propagation induces the cavitation in mercury that imposes localized impact damage on the target vessel. The impact erosion is a critical issue to decide the lifetime of the target. The electro Magnetic IMpact Testing Machine, MIMTM, was developed to reproduce the localized impact erosion damage and evaluate the damage formation. Additionally, droplet impact analysis was carried out to investigate the correlation between isolate pit profile and micro-jet velocity. We confirmed that value of depth/radius was able to estimate micro jet-velocity. And the velocity at 560W in MIMTM was estimated to be 225325 m/s. Furthermore, surface-hardening treatments were inhibited pit formation in plastic deformation.