核破砕中性子源水銀標的の耐久性向上に向けた研究開発,3; 合泡現象に関する実験的観測および数値予測コードの開発

R&D on mercury target for spallation neutron source to improve the durability under high power operation, 3; Experimental observation of bubble coalescence phenomenon and development of numerical prediction code

有吉 玄  ; 伊藤 啓*; 粉川 広行  ; 二川 正敏  

Ariyoshi, Gen; Ito, Kei*; Kogawa, Hiroyuki; Futakawa, Masatoshi

大強度陽子加速器施設(J-PARC)における核破砕水銀標的では、圧力波による標的容器のキャビテーション損傷が問題視されており、水銀中に微小He気泡を混合した水銀-He二相流を利用する損傷抑制技術が開発されている。圧力波の抑制・減衰に有効な固有振動数を有する気泡の半径は約0.1mm以下とされているが、水銀流中における微小気泡の合体・分裂挙動により、最も損傷抑制が要求される陽子ビーム窓部の気泡半径が適正値と異なり得ることが予想される。したがって、水銀-He二相流における気泡半径分布等の二相流特性に関する実験データの取得およびそれを基にした予測モデルの構築が必要となる。そこで本研究では、水銀標的内部における気泡半径分布の予測を目的として、空気-水二相流をモデル流体とした微小気泡の合体・分裂挙動の可視化実験および数値予測コードの開発を行った。本報では、可視化実験結果および予測コードの開発状況について報告する。

Cavitation damage caused by pressure waves is one of the important issues which threaten the integrity of the mercury spallation target vessel in J-PARC. To mitigate the damage, technology using mercury-helium two-phase flow has been developed. Although effective bubble radius for absorption/attenuation of the waves is evaluated as less than 0.1 mm, actual bubble radius might be different from the evaluated one due to microbubble coalescence phenomena. Therefore, the purpose of present study is to clarify and predict the bubble radius distribution in the target. To achieve that, visualization of microbubble coalescence phenomena was performed by using air-water two-phase flow as a model flow. Obtained experimental results and numerical prediction code presently developed will be explained.