Numerical simulation on molten metal collision behavior using SPH method combined with fractal analysis on morphology of stacking pattern

SPH法と付着痕形態のフラクタル解析を組み合わせた溶融金属の衝突挙動解析

二川 正敏  ; 筒井 喜平*; 粉川 広行  ; 直江 崇   

Futakawa, Masatoshi; Tsutsui, Kihei*; Kogawa, Hiroyuki; Naoe, Takashi

世界的関心の寄せられる様々な科学技術を展開しうる大強度陽子加速器施設では、加速器から出射されるMW級の大強度陽子線に耐えつつ、効率よく2次粒子を生成する標的が要求される。固体金属標的は、大強度の陽子線が入射することによって非常に高い熱流束が負荷され、場合によっては瞬時に溶融することが推測される。実際、J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)では、金の固体標的が局所的に溶融し、溶融金が噴出する事象が生じた。溶融金ジェットは真空を隔てるフランジ板に衝突して飛散すると共に、一部はフランジ板に付着した。この挙動を粒子法による数値解析で再現し、フランジ板上の付着痕の様相と衝突速度との相関について、フラクタル解析を導入して定量評価を試みた。その結果、フラクタル次元は衝突速度に依存し、局所衝撃力や飛散挙動を評価する指標として有効であることが分かった。

The developments of the high power proton accelerators become a worldwide interest to provide various applications, where the targets are demanded to efficiently produce secondary beams and to survive intensive MW class proton beam power supplied by the accelerators. Solid metal targets might be melted by very high heat flux that is caused by the proton beam bombardment. In fact, the incident occurred at J-PARC, in which the gold solid target was locally melted to explosively jet molten gold. The jet collided with a structural beryllium flange plate that has a function of vacuum boundary. Some parts of gold were splashed and the other stuck on the flange plate. The relationship between the impact velocity and the morphology of the sticking pattern on the plate was quantitatively evaluated by introducing fractal analysis. It was found that the fractal dimension is correlated with the impact velocity and might be a useful factor to indicate the localized impact force and behavior.