Cavitation damage in double-walled mercury target vessel

二重壁水銀ターゲット容器におけるキャビテーション損傷

直江 崇   ; 涌井 隆  ; 木下 秀孝   ; 粉川 広行  ; 羽賀 勝洋  ; 原田 正英   ; 高田 弘   ; 二川 正敏  

Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Kinoshita, Hidetaka; Kogawa, Hiroyuki; Haga, Katsuhiro; Harada, Masahide; Takada, Hiroshi; Futakawa, Masatoshi

J-PARCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、ビーム窓と呼ばれる厚さ3mmの先端部分が、陽子線励起圧力波よるキャビテーションにより壊食損傷する。この損傷は容器の構造健全性を低下させ、容器の寿命の決定因子となっている。我々は、2014年からキャビテーション損傷及びそれを誘発する圧力波を低減するために、気泡注入に加えて狭隘流路を設置することで、ビーム窓の水銀流速を速める2重壁構造を採用し、300500kWの強度で運転を行った。使用済みの容器を切断し、内壁を観察した結果、狭隘流路の内側で最大深さ約25mの帯状の損傷が観測された。この原因を調べるために、負圧の持続時間に着目した圧力波伝ぱ解析を実施した結果、ビーム入射直後から1msまでに生じる負圧の持続する時間をマッピングした結果と、形成された損傷の分布がよく対応しており、比較的短時間の負圧によって生じるキャビテーションが損傷形成に寄与していることを示唆した。

A mercury target vessel made of 316L SS is damaged due to the cavitation caused by the pressure waves in mercury. Cavitation damage reduces the structural integrity of the target front, called "beam window", being major factor to determine the lifetime of target vessel. Aiming at mitigating the cavitation damage by faster mercury flow in narrow channel, we employed a target vessel with a double-walled structure at the beam window along with a gas microbubbles injection. After operating the double-walled target vessel with a beam power of 300 to 500 kW, we cut out the beam window using an annular cutter to examine the damage inside it, and found that damages with maximum pit depth of approximately 25 m distributed in a belt on the specimen facing narrow channel. Furthermore, numerical simulation result showed that the distribution of negative pressure period from beam injection to 1 ms was correlated with the damage distribution in the narrow channel. It was suggested that the cavitation induced by relatively short negative pressure period contributed to the damage formation.