1MWへ向けた水銀ターゲットシステムの取り組み

Challenge for 1MW operation of mercury target system

羽賀 勝洋  ; 直江 崇   ; 涌井 隆  ; 粉川 広行  ; 二川 正敏  ; 甲斐 哲也   ; 木下 秀孝   ; 高田 弘   

Haga, Katsuhiro; Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Futakawa, Masatoshi; Kai, Tetsuya; Kinoshita, Hidetaka; Takada, Hiroshi

J-PARCの水銀ターゲット容器では、大強度のパルス陽子ビーム入射に伴い水銀中で発生する圧力波で誘起される容器壁面のキャビテーション損傷が容器寿命を左右する重要な要因となる。200kW以下のビーム強度で470MWh照射した水銀ターゲット容器初号機のビーム窓部には、最大0.25mmの深さの損傷が確認され、損傷への対策の重要性が再認識された。次の水銀ターゲット容器では、キャビテーション損傷を低減するために技術開発を進めてきた微小気泡注入システムを実装し、陽子ビーム出力をそれまでの200kWから300kWに上昇させて2050MWhの照射を行った。このターゲット容器のビーム窓部から試験片を切り出し、カメラによる目視確認を行った結果、壁面に顕著な損傷は確認されず、微小気泡の注入が損傷の低減に有効であることを実証した。現在稼働している水銀ターゲット容器は、気泡注入システムに加え、ビーム窓部の内側に壁を設置し、流路幅2mmの狭隘な流路を形成する二重壁構造とした。狭隘流路内の平均流速は3.7m/sと速くなるため、壁面近傍で生ずる水銀流れの急峻な速度勾配により、キャビテーション気泡の成長と崩壊を変形させ、その衝撃力を低減するものであり、今後、400kWから600kWまで段階的に強度を上げた運転を行い、その効果を確認する予定である。

The pressure waves are generated in the mercury target of J-PARC by the injection of high power pulsed proton beams and induce cavitation damages on the mercury target wall. The damages are the serious threat factor for the lifetime of the target vessel. After the beam operation of 200 kW corresponding to the accumulated power of 470 MWh, damages with the maximum depth of 0.25 mm were found on the inner surface of the mercury target, and the counter measure to mitigate the damage was recognized to be important. The technique to inject micro-bubbles into the mercury target vessel which has been developed to mitigate the cavitation damages was applied to the next target vessel and the beam operation in the range of 200 kW to 300 kW was continued to 2050 MWh. A specimen was cut out from the target vessel and inspected visually by a remote video camera. No conspicuous damages were found on the specimen. This fact demonstrates the efficacy of the micro-bubble injection to mitigate the cavitation damages. The newly installed target vessel has double wall structure at the beam window as the additional technique for the cavitation damage mitigation. The rapid mercury flow in the narrow channel made by the double wall prevent the cavitation bubble from growing and moderate the severity of the cavitation energy. The efficacy of the double wall structure will be investigated by cutting out the specimen from the target vessel in the future.