Experimental evaluation of wall shear stress in a double contraction nozzle using a water mock-up of a liquid Li target for an intense fusion neutron source

強力中性子源用リチウムターゲットの構造健全性評価のための水実験装置を使用した2段縮流ノズル内壁面せん断応力の実験的評価

近藤 浩夫*; 金村 卓治*; 朴 昶虎*; 小柳津 誠*; 平川 康 ; 古川 智弘  

Kondo, Hiroo*; Kanemura, Takuji*; Park, C. H.*; Oyaizu, Makoto*; Hirakawa, Yasushi; Furukawa, Tomohiro

核融合中性子源では重陽子ビームターゲットに液体金属リチウムの壁面噴流(Liターゲット)を採用し、Liターゲットは真空中(10Pa)を高速(15m/s)で流れ、重陽子との核反応で中性子を発生させるともにビーム入熱(10MW)を除去する。本研究では、IFMIF/EVEDA工学実証活動で建設した液体リチウム試験ループ(ELTL)の構造健全性評価のため、Liターゲットを生成するノズル内流動場の評価を行った。ターゲットアッセンブリのアクリルモデルおよび作動流体として水を用い、ノズル内の流速分布をレーザードップラー流速計により計測し、せん断応力分布を評価した。結果として、2段縮流ノズルの2段目付近でせん断応力が最大値をとることが明らかになり、この箇所の腐食損傷を調査する必要があることを示した。

Herein, the wall shear stress in a double contraction nozzle has been evaluated experimentally to produce a liquid lithium (Li) target as a beam target for intense fusion neutron sources such as the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF), the Advanced Fusion Neutron Source (A-FNS), and the DEMO Oriented Neutron Source (DONES). The boundary layer thickness and wall shear stress are essential physical parameters to understand erosion-corrosion by the high-speed liquid Li flow in the nozzle, which is the key component in producing a stable Li target. Therefore, these parameters were experimentally evaluated using an acrylic mock-up of the target assembly. The velocity distribution in the nozzle was measured by a laser-doppler velocimeter and the momentum thickness along the nozzle wall was calculated using an empirical prediction method. The resulting momentum thickness was used to estimate the variation of the wall shear stress along the nozzle wall. Consequently, the wall shear stress was at the maximum in the second convergent section in front of the nozzle exit.