水銀ターゲット容器内壁のキャビテーション損傷観察に関する技術資料,1; 遠隔操作対応試験片切出し装置の開発

Technical note for the cavitation damage inspection for interior surface of the mercury target vessel, 1; Development of specimen cutting machine for remote handling

直江 崇   ; 木下 秀孝   ; 涌井 隆  ; 粉川 広行  ; 羽賀 勝洋  

Naoe, Takashi; Kinoshita, Hidetaka; Wakui, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Haga, Katsuhiro

大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギー陽子線入射時に水銀中に発生する圧力波が引き起こすキャビテーションによって、ステンレス鋼製のターゲット容器内壁に激しい壊食損傷が生じる。陽子線強度の増加と共に攻撃性が高くなるキャビテーションが引き起こす壊食損傷によって、熱応力を低減するために厚さ3mmで設計されたターゲット容器先端部では、長時間の運転により壊食痕からの水銀漏洩や、壊食痕を起点とした疲労破壊などが生じる懸念がある。これまでに、高出力での長期的な安定運転を実現するために、キャビテーションによる壊食損傷を低減するための取り組みとして、容器内壁への表面改質の適用や、水銀中への微小気泡注入によりキャビテーションの発生源である圧力波の抑制、先端部の2重壁構造化を進めてきた。損傷低減化技術の効果を確認するために容器内壁に形成された損傷を観察する必要があるが、中性子源の運転中に内部を観察することは不可能であるため、運転を終えたターゲット容器の先端部から試験片を切出し、内壁の観察を実施している。ターゲット容器の破損による水銀の漏洩を防ぎつつ、運転出力によって変化する適切な容器の交換時期を検討するためには、運転出力と損傷の関係を明らかにすることが必要である。これまでに、高放射線環境で遠隔操作可能な試験片切出し装置を開発し、実機水銀ターゲット容器からの切出しを通じて、遠隔操作性や、より確実に試験片を切出すための切削条件の検討や切出し手法の改良を重ねてきた。本報では、実機ターゲットでの作業経験、及びモックアップ試験の結果に基づいて改良した遠隔操作による水銀ターゲット容器先端部からの試験片切出し手法に加えて、これまでに実機から試験片を切出した結果の概要についてまとめる。

In the liquid mercury target system for the pulsed spallation neutron source of Materials and Life science experimental Facility (MLF) at the Japan in the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), cavitation that is generated by the high-energy proton beam-induced pressure waves, resulting severe erosion damage on the interior surface of the mercury target vessel. The erosion damage is increased with increasing the proton beam power, and has the possibility to cause the leakage of mercury by the penetrated damage and/or the fatigue failure originated from erosion pits during operation. To achieve the long term stable operation under high-power proton beam, the mitigation technologies for cavitation erosion consisting of surface modification on the vessel interior surface, helium gas microbubble injection, double-walled beam window structure has been applied. The damage on interior surface of the vessel is never observed during the beam operation. Therefore, after the target operation term ends, we have cut out specimen from the target nose of the target vessel to inspect damaged surface in detail for verification of the cavitation damage mitigation technologies and lifetime estimation. We have developed the techniques of specimen cutting out by remote handling under high-radiation environment. Cutting method was gradually updated based on experience in actual cutting for the used target vessel. In this report, techniques of specimen cutting out for the beam entrance portion of the target vessel in high-radiation environment and overview of the results of specimen cutting from actual target vessels are described.