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静止水銀中の狭隘部における圧力波誘起キャビテーション損傷

Pressure wave-induced cavitation erosion in narrow channel of stagnant mercury

直江 崇   ; 二川 正敏  

Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi

水銀ターゲット容器内で生じるキャビテーション損傷は、SUS316製である容器の構造健全性を著しく低下させる。次回交換する容器は、顕著な損傷が形成されるビーム入射部を、狭隘流路を備えた二重壁構造とすることにより、冷却性を担保しつつ壊食に耐える厚さを確保し、寿命の延長を図る。加えて、狭隘流路内部では、水銀流速及び境界条件の影響によりキャビテーション損傷の低減効果が期待できる。本研究では、報告例の少ない狭隘部で生じるキャビテーション損傷について理解するために、静止水銀中で狭隘流路のギャップを1.0mm$$sim$$2.3mmの間で変化させてパルス圧力負荷試験を実施すると共に、気泡の挙動を可視化実験と数値解析により評価した。その結果、狭隘部の損傷は、条件によらずバルク側と比較して小さくなること、損傷の程度はギャップに依存して変化することを明らかにした。一方、負荷する衝撃圧の強度と損傷には直接相関は見られなかった。その原因について、圧力応答からキャビテーション気泡の挙動を解析した結果、弱い衝撃圧負荷の際に遅れて発生する2回目のキャビテーションが損傷の形成に大きく寄与することを示唆した。

The pressure waves in the mercury target is a critical issue to keep the steady operation in the spallation neutron source, because the pressure waves induces cavitation and imposes severe erosion damage on the target vessel. A double-walled structure of the beam window portion is adopted for the advanced mercury target vessel in the J-PARC. The double-walled structure which has the narrow gap between the inner and outer walls is expected to reduce cavitation erosion in the beam window portion by deforming the shape of cavitation bubbles due to the flowing and gap boundary effects. In order to understand the cavitation damage in the narrow gap, cavitation damage tests of the type 316 SS were conducted using mechanically-induced pressure waves under stagnant mercury with parametrically changing gap width and machine power. The results showed that the clear damage reduction which was attributed to the deformation of bubble collapse due to the channel wall boundary was confirmed.

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