Mitigation technologies for damage induced by pressure waves in high-power mercury spallation neutron sources, 1; Material surface improvement

高出力水銀核破砕中性子源における圧力波励起損傷の抑制技術,1; 材料の表面改質

直江 崇   ; 二川 正敏  ; 菖蒲 敬久  ; 涌井 隆  ; 粉川 広行  ; 竹内 博次*; 川合 將義*

Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Shobu, Takahisa; Wakui, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Takeuchi, Hirotsugu*; Kawai, Masayoshi*

液体水銀をターゲット材に用いた核破砕中性子源の開発が世界的に行われている。核破砕反応を誘発する陽子線を水銀ターゲットに入射すると、水銀の瞬時発熱により圧力波が発生する。圧力波は、ターゲット容器との相互作用によりキャビテーションを引き起す負圧を発生させる。キャビテーション気泡の崩壊時に発生するマイクロジェットあるいは衝撃波によって生じる局所衝撃は、ターゲット容器壁面にピッティング損傷を形成する。本報では、キャビテーション気泡崩壊により生じる局所衝撃力を、高速度ビデオカメラを用いて観測した気泡崩壊挙動と、数値シミュレーションの比較結果により定量的に評価した。この結果に基づきプラズマ浸炭及びプラズマ窒化から構成される新しい表面改質処理技術を考案し、局所衝撃によるピッティング損傷を抑制するために改質処理条件の最適化を行った。

Liquid-mercury target systems for MW-class spallation neutron sources are being developed in the world. At the moment the proton beam hits the target, pressure waves are generated in the mercury because of the abrupt heat deposition. The pressure waves interact with the target vessel leading to negative pressure that may cause cavitation along the vessel wall. Localized impacts by micro-jets and/or shock waves which are caused by cavitation bubble collapse impose pitting damage on the vessel wall. Bubble collapse behavior was observed by using a high-speed video camera, as well as simulated numerically. Localized impact due to cavitation bubble collapse was quantitatively estimated through comparison between numerical simulation and experiment. A novel surface treatment technique which consists of carburizing and nitriding processes was developed and the treatment condition was optimized to mitigate the pitting damage due to localized impacts.