Water leakage due to the welding defect and improvement to reach 1-MW beam operation in the mercury target of J-PARC

J-PARCの水銀標的の溶接欠陥による水漏えいと1MWビーム運転に向けた容器構造の改良

粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 直江 崇   ; 羽賀 勝洋  ; 高田 弘   ; 二川 正敏  

Kogawa, Hiroyuki; Wakui, Takashi; Naoe, Takashi; Haga, Katsuhiro; Takada, Hiroshi; Futakawa, Masatoshi

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の中性子源では、世界記録のパルスあたりの中性子束を達成した。J-PARCでは、水銀標的システムが破砕中性子源として使われている。標的容器は、水銀容器とそれを内包する二重壁構造の水冷却保護容器から構成され、万一水銀容器から水銀が漏えいしても標的容器の外部への漏えいを防止する多重壁防護システムとなっている。しかし、多重壁構造は、多くの溶接線を必要とする複雑な構造であった。運転中に、水銀容器と保護容器の間の中間層への水が漏えいし、計画外のシャットダウンに直面することとなった。このため、漏えいの原因に関する調査を行い、漏えい経路は、複雑な多重壁構造に起因する溶接欠陥から、水銀標的で発生する圧力波による繰り返し応力によってき裂が進展して作られたと推論した。調査結果に基づき、容器の構造を、複雑な構造上の溶接線を無くし、J-PARC中性子源の最終的な設計値である陽子ビーム出力1MWで安定した運転を実現できるように改良した。

Neutron flux per pulse reached world record at neutron source in the J-PARC. In the J-PARC, mercury target system is used as a spallation neutron source. A target vessel has the multi-walled protection system that comprises a mercury vessel enclosed with a double-walled water shroud. This is to prevent the leakage of the mercury outside the mercury vessel. The multi-walled structure needed to be complicated with a lot of welding lines. However, during the operation, we faced an unscheduled shutdown due to water leakage to the intermediate layer between the mercury vessel and water shroud. An investigation on the cause of the leakage was carried out. It is deduced that the leakage path was formed due to the crack propagation from welding defects that is caused by the complicated multi-walled structure. The crack propagation is attributed to the repeated stress by pressure waves generated in the mercury target. Based on the investigation results, the design was improved to remove the welding line on the complicated structure and to realize the stable operation with 1 MW proton beam.