Failures and design improvements of the water shroud of J-PARC mercury target

J-PARC水銀ターゲット保護容器に生じた不具合と設計の改良

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

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

J-PARCの水銀ターゲットシステムは世界で最も高出力の中性子源施設の一つであり、3GeV、25Hzの陽子ビーム条件で稼働している。2015年中に、500kW出力で運転中であった水銀ターゲットの保護容器で2度の不具合が生じた。水銀ターゲットはSUS316Lを材料とし、保護容器の壁の肉厚は3mmである。初めの不具合は保護容器外への漏水であったため、外観検査で不具合箇所を特定することができた。解析評価の結果から、保護容器の製作途中にTIG溶接による入熱でステンレスの降伏応力である255MPa以上の熱応力が生じたことで拡散接合の一部が剥がれたことが原因と判明した。同様な不具合を防止するため、同じ構造で製作していた予備機を補修し、ターゲットシステムに設置した。二度目の不具合は水銀容器と保護容器の間のヘリウム層への漏水であった。ターゲット容器内への漏水であったため、漏水箇所はまだ特定できていない。全体的に見て、これらの不具合は設計段階の解析評価で予見することが困難な条件、つまり接合や溶接工程に関連する事項が原因であったと言える。このような不具合を防止するため、次のターゲット容器設計では溶接部をできるだけ減らすとともに、製作過程で放射線検査を増やし構造健全性を確認する設計方針とした。

The mercury target system in J-PARC is one of the most powerful neutron source in the world which operates with the pulsed proton beam of 3GeV at the pulse frequency of 25Hz. Twice in 2015, we experienced failures in the water shroud of the mercury target vessel while they were in operation with the proton beam power of 500 kW. The target vessel was made of stainless steel 316L. The first failure was the water leak out of the water shroud whose wall thickness was 3 mm, and we could find the leak location by visual inspection. Based on the cause analyses, it was assumed that part of the diffusion bonding failed due to thermal stress which was greater than the yield strength of 255 MPa by TIG welding during the fabrication process. The spare target was repaired to prevent the same trouble and installed to the target system. The second failure was the water leak into the helium layer, which was the intermediate space between the mercury vessel and the water shroud. Because the leak place was inside of the target vessel, the leak location has not identified yet. Overall, it could be said that the target failures had been resulted from conditions difficult to examine by analytical approaches at the stage of target design, e.g., those relating to the bonding/welding processes. In order to prevent such troubles, we decided the design strategies to minimize welding part in the next target design and to increase radiographic test during fabrication process.