Very high-cycle fatigue behavior in mercury target vessel for high-power pulsed spallation neutron source

高出力核破砕中性子源水銀ターゲット容器の超高サイクル疲労挙動

Xiong, Z.; 直江 崇   ; 二川 正敏  ; 涌井 隆  ; 粉川 広行  ; 羽賀 勝洋  ; 前川 克廣*

Xiong, Z.; Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Wakui, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Haga, Katsuhiro; Maekawa, Katsuhiro*

J-PARCのパルス核破砕中性子源で使用するSUS316L製の水銀ターゲット容器は、陽子線入射圧力波により積算で10回以上(超高サイクル)の繰返し応力負荷を受ける。超高サイクル領域では、通常の疲労試験によって決定された疲労限度以下の応力で破断する場合がある。繰り返し応力に加えて、ターゲット容器の先端部は、最大50sの高ひずみ速度で変形する。本研究では、SUS316L及び照射硬化を模擬した冷間圧延材を用いて、試験片の表面温度を制御した超音波法により超高サイクルの疲労試験を実施した。その結果、10回までの試験では、明確な疲労限度は確認されなかった。さらに、ターゲット容器先端部で想定される最大温度250Cでは、室温と比較して75%程度疲労強度の低下が観測された。

An enclosure vessel of liquid mercury spallation target, which is made of 316L stainless steel, is suffered from the cyclic loading due to the proton beam-induced pressure waves. The number of loading cycles will be beyond 10 to giga-cycle region throughout the expected service life. In and around giga-cycle region, the fatigue failure occurs under the conventionally defined fatigue limit. In addition to the cyclic loading, the strain rate at the beam window of the target vessel reaches to 50 1/s at the maximum, which is much higher than the conventional fatigues. In this work, ultrasonic fatigue tests were conducted with controlling specimen surface temperature to investigate effects of the temperature and the work hardening that simulates the irradiation embrittlement on very high-cycle fatigue strength of 316L SS. The experimental result showed that the obvious fatigue limit was not observed up to 10 cycles, and the fatigue strength was reduced about 75% of R.T. around 250 C regardless of the work hardening, which was the conceivable maximum temperature of the beam window at the 1 MW operation.