Failure probability estimation of multi-walled vessels for mercury target

水銀ターゲット容器の破損確率評価

涌井 隆  ; 二川 正敏  ; 粉川 広行  ; 石倉 修一

Wakui, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Kogawa, Hiroyuki; Ishikura, Shuichi

J-PARCの物質・生命科学実験施設において、パルス核破砕中性子源として液体水銀ターゲットが設置される。水銀ターゲットには自重や内圧などの静的荷重に加え、液体水銀の瞬時発熱に伴う圧力波により、過大な動的荷重が負荷される。さらに、水銀中に発生する圧力波の伝播過程において、水銀容器内壁表面上にキャビテーション気泡崩壊に伴う衝撃壊食を受ける。そこで、液体水銀ターゲットの寿命評価を行うために、想定される荷重下で発生する応力及び衝撃壊食などに伴う材料劣化挙動をもとに、水銀ターゲットの破損確率を算出した。その結果、設計運転時間(2500時間)後に、セーフティーハル(保護容器)が破損する確率は極めて低いが、水銀容器は水銀の圧力波による繰返し荷重が負荷されるため、疲労により破損する可能性が高く評価された。すなわち、疲労による水銀容器の破損確率は、入射陽子ビームのパワーとともに増加し、陽子ビームパワーが1MWの場合、2500時間後の破損確率は99.9%以上となることがわかった。

A liquid mercury target for MW-class pulse spallation neutron sources is being developed. Failure probability analyses on the mercury target that will be installed at the material and life science facility in the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) were carried out taking account of the stress condition caused by various types of loading and material degradation due to neutron irradiation and pitting damages. The mercury target consists of multi-walled vessels; a mercury vessel and a safety hull, to prevent mercury leakage to the outside, i.e. the mercury vessel that is in contact with mercury is covered by the safety hull. The failure probability of the safety hull was estimated to be lower than 10 for the expected designed lifetime. On the other hand, the failure probability of the mercury vessel directly subjected to thermally shocked pressure waves in mercury increased with the operation time and the proton beam power, and was estimated to be ca. 99.9 % for the designed lifetime of the MW-class target.