Mitigation of cavitation damage in J-PARC mercury target vessel

J-PARC水銀ターゲット容器におけるキャビテーション損傷抑制技術

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

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

J-PARC核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、陽子線入射によって生じる水銀中の圧力波が引き起こすキャビテーションにより、ビームが入射する先端部厚さ3mmの壁が損傷する。キャビテーションによる損傷は、ビーム出力と共に増加するため、ターゲット容器の寿命を制限する因子となっている。J-PARCの目標である1MWにおける長期安定運転を実現するために、損傷低減化策として、圧力波抑制のための気泡注入に加えて、先端部に主流の4倍の流速を発生できる幅2mmの狭隘流路を有する先端部二重壁構造の容器を採用した。運転終了後に損傷低減化策の効果を確認するために、容器内壁を切り出して観察した。これまでの経験を踏まえ、確実に切出しを実施するためにコールド試験を通じて切出し条件を最適化して、2017年にターゲット2号機(損傷低減化策無し)、及び2018年に8号機(損傷低減化策有り)の切り出しを実施した。ワークショップでは、切出した試料の損傷観察結果を紹介すると共に、損傷低減化策の効果について報告する。

The beam window of the mercury target vessel in J-PARC is severely damaged by the cavitation. The cavitation damage is a crucial factor to limit lifetime of the target because it increases with the beam power. Therefore, mitigating cavitation damage is an important issue to operate the target stably for long time at 1 MW. At J-PARC, to mitigate the cavitation damage: gas microbubbles are injected into mercury for suppressing pressure waves, and double-walled structure with a narrow channel of 2 mm in width to form high-speed mercury flow (4m/s) has been adopted. After operation, the beam window was cut to inspect the effect of the cavitation damage mitigation on inner wall. We optimized cutting conditions through the cold cutting tests, succeeding in cutting the target No.2 (without damage mitigation technologies) smoothly in 2017, and target No.8 with damage mitigation technologies. In the workshop, progress of cavitation damage observation for the target vessel will be presented.