中性子ターゲット容器寿命予測

Lifetime prediction of the neutron target vessel

直江 崇   ; 粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 羽賀 勝洋  

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

J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)のパルス核破砕中性子源に設置されている水銀ターゲット容器は、陽子及び中性子による照射損傷、陽子ビーム入射時に水銀の熱衝撃によって生じる圧力波による繰返し応力に加えて、圧力波が引き起こすキャビテーションによる内壁の壊食損傷を受ける。特に、薄肉構造化された容器先端部分では、内壁の壊食損傷が容器の構造健全性を著しく低下させるため長期間の高出力安定運転の障壁となっている。壊食損傷を低減するための対策として、圧力波を低減するための水銀中へのマイクロバブル注入、及び激しい壊食損傷が生じる先端部を2重壁構造化している。これらの対策による損傷低減効果について、内壁に形成された実機の損傷を観察することで確認しながら、段階的に運転出力を増加している。運転出力を検討する際の指標として、オフビームでの壊食実験や、これまでに測定した実機の損傷を基にして、運転条件から壊食損傷の深さを予測する経験式を構築し、実測した損傷を反映させながら予測精度の向上を図っている。発表では、これまでに得られた損傷の観察結果を踏まえて、経験式から評価できるターゲット容器の寿命予測について報告する。

Mercury target vessel installed in the J-PARC is damaged by the proton and neutron irradiation, fatigue and cavitation erosion induced by pressure waves. The erosion damage on the beam window is particularly reducing the structural integrity of the target vessel and obstacle to realize the long-term operation with high power. As the damage mitigation techniques to reduce erosion damage, gas microbubble injection into mercury, and double-walled beam window structure has been installed. The effect of these techniques on the interior surface damage of the target vessel has been validated through the damage inspection, and gradually ramping-up the beam power. The index for considering the operational beam power, the empirical equation to predict the erosion depth of the target vessel has been developed based on the off-beam experiment and measured depth of the used target vessel. In the presentation, the lifetime of the target vessel predicted from empirical equation will be discussed.