Development of the techniques to mitigate the cavitation damages in the J-PARC mercury target

J-PARC水銀ターゲットにおけるキャビテーション損傷の低減技術の開発

羽賀 勝洋  ; 粉川 広行  ; 直江 崇   ; 涌井 隆  ; 二川 正敏  ; 高田 弘   

Haga, Katsuhiro; Kogawa, Hiroyuki; Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Takada, Hiroshi

J-PARC核破砕中性子源の水銀ターゲットでは1MWの大強度陽子ビームの入射により、水銀中に強い圧力波が発生し、これがターゲット容器にキャビテーション損傷を与えることで容器の寿命が著しく低下するため、キャビテーション損傷をいかに低減するかが重大な課題であった。この課題を解決するため、流動する水銀中に直径100m以下のマイクロバブル(気泡)を注入し、損傷を抑制する技術を開発した。気泡生成器を新たに開発してターゲット容器に設置し、2012年10月から気泡注入運転を開始した。レーザードップラー振動計を用いて圧力波で誘起されるターゲット容器の振動を計測し、気泡のない場合に比べて振動速度が1/3に低減されることを確認した。更に高出力化への対応として、早い水銀流れによるキャビテーション損傷の抑制に着目し、ターゲット容器へ陽子ビームが入射する壁面であるビーム窓部に内壁を追加することで幅2mmの狭隘流路を形成する二重壁構造を採用した。解析の結果、ターゲット容器内の水銀流速は1.2m/s程度であるのに対し、狭隘流路内では4m/sの速い流速が得られることが分かり、損傷抑制の効果を期待できる。

For the mercury target of a pulsed spallation neutron source of J-PARC, cavitation damage of the target vessel wall which is caused by the pressure wave in mercury induced by high power pulsed proton beam of 1 MW is the crucial issue. In order to mitigate the cavitation damage, a microbubble injection technique has been developed. A microbubble generator to generate bubbles with a diameter less than 100m in mercury was developed and has been used in the mercury target system of J-PARC since October 2012. The effect of microbubble injection into mercury was verified by using a laser Doppler vibrometer (LDV). The measured data showed that the displacement velocity of the target vessel was reduced to 1/3 in average by injecting microbubbles. For further development of the high power target, we focused on the mercury flow effect to mitigate the cavitation damage. In order to realize this effect into the target design of J-PARC, we adopted doubled-walled structure to the beam window of the target vessel. The mercury flow channel with a narrow gap of 2 mm was made by adding an inner wall to just inside of the beam window. Numerical simulations were carried out using the conventional code, ANSYS FLUENT. While the mercury velocity outside of the narrow channel was 1.2 m/s, the mercury velocity in the narrow channel increased to almost 4 m/s, which was promising to suppress the cavitation damages.