Development of the high-power spallation neutron target of J-PARC

J-PARCの高出力核破砕中性子ターゲットの開発

羽賀 勝洋  ; 粉川 広行  ; 直江 崇   ; 涌井 隆  ; 若井 栄一  ; 二川 正敏  

Haga, Katsuhiro; Kogawa, Hiroyuki; Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Wakai, Eiichi; Futakawa, Masatoshi

J-PARCではMWクラスの核破砕中性子源を実現するために水銀ターゲットの流路構造としてクロスフロー型ターゲットを開発し、流路構造の改良を継続してきた。高出力の短パルス陽子ビームが水銀ターゲットに入射すると、急激な水銀の発熱と体積膨張により最大40MPaにも達する圧力波が誘起され、ターゲット容器にキャビテーション損傷を生じさせる。このため、水銀流路にマイクロバブル生成器を配置し、バブルの収縮により水銀の体積膨張をクッションのように吸収することで圧力波を低減する技術や、陽子ビームが入射する容器壁に内壁を設けて、狭隘流路に形成される速い水銀流れの大きな速度勾配を利用してキャビテーション損傷を低減する技術などを水銀ターゲット容器の流路構造に導入した。これらの技術開発により、2020年には36.5時間の1MW連続運転を成功させ、2021年4月から最大740kWの高出力で長期の安定な利用運転を達成した。本報告は、主に水銀ターゲット容器の熱流動設計に関して1MW運転を実現するまでの技術開発をまとめたものである。

The cross-flow type target was developed as the basic design of mercury target in J-PARC, and the design has been improved to realize the MW-class pulsed spallation neutron source. When the high-power and short-pulsed proton beam is injected into the mercury target, pressure waves are generated in mercury by rapid heat generation. The pressure waves induce the cavitation damages on the target vessel. Two countermeasures were adopted, namely, the injection of microbubbles into mercury and the double walled structure at the beam window. The bubble generator was installed in the target vessel to absorb the volume inflation of mercury and mitigate the pressure waves. Also, the double walled target vessel was designed to suppress the cavitation damage by the large velocity gradient of rapid mercury flow in the narrow channel of double wall. Finally, we could attain 1 MW beam operation with the duration time of 36.5 hours in 2020, and achieved the long term stable operation with 740 kW from April in 2021. This report shows the technical development of the high-power mercury target vessel in view of thermal hydraulics to attain 1 MW operation.