J-PARC核破砕中性子源における陽子ビームの形状及び入射位置の変化が水銀ターゲットの核特性及び構造強度に及ぼす影響,1; 水銀ターゲット容器の構造的健全性

Effect of proton beam profile and incident position on neutronic performance and structural integrity of a mercury target of the spallation neutron source at J-PARC, 1; Structural integrity of mercury target vessel

粉川 広行  ; 直江 崇   ; 涌井 隆  ; 羽賀 勝洋  ; 原田 正英   ; 明午 伸一郎   ; 大井 元貴 ; 高田 弘   

Kogawa, Hiroyuki; Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Haga, Katsuhiro; Harada, Masahide; Meigo, Shinichiro; Oi, Motoki; Takada, Hiroshi

J-PARCの物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源は、水銀ターゲットに3GeV、1MW陽子ビームを入射し、発生する中性子を中性子実験装置に供給する施設である。陽子ビームの形状や入射位置の変化は、水銀ターゲット容器の構造的健全性や中性子実験装置に供給する中性子強度に影響を与える。そこで、陽子ビームの形状や入射位置を変化させ、構造強度及び中性子特性に与える影響を、実測と解析の両面から確認した。本発表は、シリーズ発表1であり、構造強度の観点から、陽子ビームの出力や入射位置を変化させた際の容器の温度上昇の変化を調べ、核発熱分布評価の妥当性を検証し、核発熱によって水銀ターゲット容器に発生する熱応力を評価した。その結果、陽子ビームが入射する水銀ターゲット容器の先端付近では、陽子ビームの入射位置が温度上昇に大きく影響することが分かった。水銀ターゲット容器の中心と陽子ビーム中心とのずれは最大で6mmに抑える設計としているため、この時の応力評価の結果、ずれが無い場合に比べて熱応力が10%増加するが、この結果は、構造強度評価で考慮している20%の裕度が妥当であることを示した。

In the Material and Life science Facility (MLF) at J-PARC, proton beams (3 GeV, 1 MW) are injected into mercury target to generate neutron beams which are produced to the neutron experiment apparatus. Variation of shape and/or injection position of the proton beam affects structural integrity of a mercury target vessel and amount of generated neutrons. Therefore, effects of shape and injection position of the proton beam on the structural integrity and the amount of generated neutrons were investigated by both of measurement and numerical simulation. In this study, temperatures were measured on the real mercury target vessels, the heat deposition obtained in the simulation were validated and thermal stress generated in the mercury target vessel due to the heat deposition were simulated from the viewpoint of structural integrity of the mercury target vessel. Since the injected position of proton beam to the center of mercury target vessel is restricted within 6 mm in design, thermal stress simulation in this case was carried out and the maximum thermal stress became 10% larger than that in the case that proton beam injects into the center of the target. This result supports that margin of 20% in the stress assessment is suitable.