Distribution of microbubble sizes and behavior of large bubbles in mercury flow in a mockup target model of J-PARC

J-PARC水銀ターゲットモデル内の微小気泡サイズ分布と大型気泡の振る舞い

羽賀 勝洋  ; 直江 崇   ; 粉川 広行  ; 木下 秀孝   ; 井田 真人; 二川 正敏  ; Riemer, B.*; Wendel, M.*; Felde, D.*; Abdou, A.*

Haga, Katsuhiro; Naoe, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Kinoshita, Hidetaka; Ida, Masato; Futakawa, Masatoshi; Riemer, B.*; Wendel, M.*; Felde, D.*; Abdou, A.*

物質・生命科学実験施設の中性子源である水銀ターゲットでは、陽子ビームのパルス入射により引き起こされる圧力波がターゲット壁面にキャビテーション壊食を生じさせることが懸念されている。これを防ぐため水銀中にヘリウムの微細気泡を注入する技術開発の一環として、大型水銀ループを用いた実機ターゲットモデルの水銀流動実験を実施した。気泡サイズと分布は透明なアクリル製上蓋を通して内部の気泡をスチルカメラで撮影し、画像処理により求めた。圧力波を低減させるためには、半径数十mから百m程度の微小気泡を陽子ビーム入射部付近に分布させる必要があるが、水銀流動実験での気泡サイズ分布は気泡半径50mをピーク値として150m以下の領域に存在し、大きな微小気泡はほとんど見られなかった。これは、気泡の浮力により陽子ビーム入射部近傍に到達する気泡サイズが制限されることが原因であることを定性的に示した。また、気泡注入により大きなガス溜まりの生成が見られたが、実機相当の水銀流速では発生しないことを確認した。さらに、ガスレイヤー生成による壁面冷却性能への影響を評価した。

Microbubble injection into mercury is one of the prospective technologies to mitigate the pressure wave which causes the cavitation damage on the mercury target vessel wall of J-PARC. As one of the studies for the mercury target design with bubbling system, we carried out the mercury loop tests using a mockup model of the target vessel. Injected microbubbles in contact with the transparent top wall were observed to know the bubble size and distribution. As a result, bubbles in the range of radius from 10 to 150 microns, which are the ideal size for our purpose to suppress the pressure wave were transported to the beam window, where the bubbles should be distributed. It was found that the bubbles larger than 150 micron in radius were removed from the distribution by bubble buoyancy, and only the smaller bubbles could be transported downstream. The attention to the effect of bubbles on the cooling performance of the target vessel was raised by the experiment.