Present status of JSNS mercury target

JSNS水銀ターゲットの現状

羽賀 勝洋  ; 粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 直江 崇   ; 若井 栄一  ; 高田 弘   

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

J-PARCの核破砕中性子源(JSNS)の水銀標的では、2015年の500kW運転中に熱応力に起因して保護容器の不具合が二度生じた。SUS316L製の標的容器は、水銀容器及び内側と外側の保護容器の三重壁構造で構成され、水銀容器と内側保護容器の間はヘリウムで満たされている。最初の不具合は、外側保護容器の欠陥であり、その場所はボルト結合部周囲の溶接箇所であった。次の不具合は、保護容器の内側のヘリウム層で検出された。FEM解析により、欠陥は陽子ビームのトリップに起因する熱サイクルに伴う疲労き裂が進展して生じたことが示唆された。何れの不具合も未溶接部を残す標的容器の複雑な設計が原因であったと考えられたため、次に製作する標的容器の設計では、溶接線を約30%低減し、ボルト結合を可能な限り減らすよう改良を施した。

At the Japan Spallation Neutron Source (JSNS), there was trouble twice at the water shroud of the mercury target due to the thermal stress during operating periods with proton beam power at 500 kW in 2015. The target vessel, made from 316L stainless steel, has a triple-walled structure consisting of mercury vessel, inner and outer water shrouds, where the interstitial space between the mercury vessel and the water shroud is filled with helium gas. For the first trouble, the leak was to the outside of the shroud and the location was specified at a welded portion around a bolt connection. For the second trouble, the leak was detected in the helium layer. Results of FEM simulations suggested that the location was susceptible to fatigue cracking due to the cyclic thermal stress induced by beam trips. The cause of the troubles was attributed to the complicated structural design in which incompleteness remained at welding. The next target vessel design was improved to reduce welding lines ca. 30% and bolt connection as much as possible.