水銀ターゲット容器のギガサイクル疲労強度評価

Gigacycle fatigue behavior of structural material for the mercury target vessel

直江 崇   ; Xiong, Z.*; 二川 正敏  

Naoe, Takashi; Xiong, Z.*; Futakawa, Masatoshi

J-PARCの核破砕中性子源のSUS316L製水銀ターゲット容器は、陽子及び中性子照射による損傷を受けると同時に、水銀中に発生する陽子線励起圧力波により繰返し応力が負荷され、1MWで2500時間という設計寿命中に2億回を越える繰返し負荷を受ける。近年、1千万回を上限とした疲労試験により評価された疲労限度以下の応力において、ギガサイクル領域では破壊が生じることが報告されている。本研究では、超音波疲労試験法を用いて、SUS316L及びその溶接材に対して10回までの疲労試験を実施した。その結果、SUS316L材では、10回以上の領域では、通常の疲労限度以下の荷重でも試験片表面からのき裂伝ぱによる疲労破壊が生じ、10回までの試験では明確な疲労限度が現れないこと確認した。一方、溶接材では、溶接ビードを除去した平滑材で母材以上の疲労強度が得られたが、溶接ビードを残した試料では、止端部での応力集中により疲労強度が母材以下に低下することを確認した。

At J-PARC, a mercury target for neutron source (made of 316L SS) suffers not only proton and neutron radiation damage by proton and neutron but also cyclic impact stress caused by pressure waves. The number of impact stresses exceeds in the design operating period for 2500 hours at 1 MW. Recently, it was reported that the fatigue failure occurs below the fatigue limit which was determined by a test up to 10 cycles. In this study, we carried out an ultrasonic fatigue test to investigate the gigacycle fatigue strength of 316L SS and its welded material, concluding that an obvious fatigue limit was not observed below 10 cycles for 316L SS. Smoothed weld material which removed weld bead showed higher fatigue strength than that of base metal. By contrast, the fatigue strength of the weld material with bead decreased below that of base metal due to the stress concentration at the weld toe.