Effect of inner wall craking on the mercury flow induced vibration

水銀流動励起振動に対する内壁亀裂損傷の影響

前野 航希*; 有吉 玄  ; 筒井 喜平*; 猿田 晃一   ; 粉川 広行  ; Li, Y.*; 二川 正敏  

Maeno, Koki*; Ariyoshi, Gen; Tsutsui, Kihei*; Saruta, Koichi; Kogawa, Hiroyuki; Li, Y.*; 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、標的容器の寿命に影響を及ぼす因子として、容器内壁のキャビテーション損傷が問題視されている。これは、陽子入射に伴う水銀の熱体積膨張で生じる圧力波が、水銀中を伝播する過程において、容器内壁近傍にキャビテーション気泡を生成し、それらの気泡が崩壊する際に発生させるマイクロジェットが壁面を局所的に壊食させることで形成される損傷である。J-PARCにおける水銀標的では、マイクロジェットの抑制手法として、水銀の「流動効果(Flow effect)」を利用している。これは、標的容器内部に狭隘流路を設けることで、狭隘流路内の流速を高くし、キャビテーション気泡の成長およびマイクロジェットの射出速度を抑制するものである。さらに、バルク流路側の水銀中へ微小気泡を注入することで得られる「クッション効果」を利用し、マイクロジェットの発生原因となる圧力波の大幅な抑制も実施している。これらの手法により、キャビテーション損傷の大幅な低減に成功しているが、完全な低減には至っておらず、水銀標的の運転時においては徐々に損傷がバルク流路側内壁面に蓄積されているのが実状である。そこで本研究では、損傷が蓄積された場合に形成され得る流路内壁の亀裂損傷に着目し、標的容器内の流れ場に対する亀裂損傷の影響を数値的に明らかにすることを目的とした。その一環として、標的容器先端部の流路を二次元的にモデル化し、内壁部の模擬損傷幅を主なパラメータとした流動解析を行った。

Cavitation damage is one of the issues for the mercury spallation target, which threatens the structural integrities of the target vessel wall. To reduce such cavitation damages, Japan Atomic Energy Agency (JAEA) tried to prevent the cavitation bubble growth using the "flow effect". To arrange the environment for the use of the "flow effect", a narrow channel was newly installed by adding an inner wall to the mercury target head. Moreover, the microbubble injection technique to the mercury was also used to reduce the pressure waves which is one of the causes of the cavitation bubble formation. Consequently, the damage could be almost weakened. However, the damage on the inner wall can still be accumulated gradually during the practical target operation. Then, the inner wall might be penetrated by such damage accumulation: wall cracking might happen to the inner wall. Therefore, development of a diagnostic technology for such inner wall cracking should be important. So, the purpose of this study is to clarify the flow field in the target head with wall cracking conditions. Effect of the wall cracking on the flow field in the target head was investigated by CFD analysis. For simplicity, the flow channel near the target head was simulated as two-dimensional models. As the results, the continuous vortices shedding was recognized in the cases of any cracking conditions. And, pulsation flows in the narrow channel were observed in the cases of the cracking width larger than 4 mm.