Effect of gas microbubble injection and narrow channel structure on cavitation damage in mercury target vessel

水銀標的容器のキャビテーション損傷に及ぼす微小気泡注入と狭隘流路構造の影響

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の核破砕中性子源に設置されている水銀標的容器は、水銀中に生じる陽子線励起圧力波が引き起こすキャビテーションによって損傷を受ける。キャビテーションによる壊食損傷を低減する方策として、キャビテーションを誘発する圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入に加えて、ビーム窓先端に狭隘流路を有する2重壁構造容器を採用した。損傷低減化策の効果を確認するために、使用後の標的容器先端部を切断し、内部に形成された損傷を観察した。その結果、積算出力1812MWh(平均強度434kW)で微小気泡を注入して運転した2重壁構造容器で観測された損傷は、積算出力1048MWh(平均強度181kW)の気泡を注入しない従来型容器で観測された損傷と同等であった。さらに、狭隘流路に接する側では、気泡が注入された水銀に接する側より著しく損傷が少ないことを確認した。

The mercury target vessel for the at the J-PARC neutron source is severely damaged by the cavitation caused by proton beam-induced pressure waves in mercury. To mitigate the cavitation damage, we adopted a double-walled structure with a narrow channel for the mercury at the beam window of the vessel. In addition, gas microbubbles were injected into the mercury to suppress the pressure waves. The front end of the vessel was cut out to inspect the effect of the damage mitigation technologies on the interior surface. The results showed that the double-walled target facing the mercury with gas microbubbles operating at 1812 MWh for an average power of 434 kW had equivalent damage to the single-walled target without microbubbles operating 1048 MWh for average power of 181 kW. The erosion depth due to cavitation in the narrow channel was clearly smaller than it was on the wall facing the bubbling mercury