Effect of inner wall cracking on the cavitation bubble formation in the mercury spallation target at J-PARC

J-PARC核破砕水銀標的内部のキャビテーション気泡生成に対する内壁亀裂の影響

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

Ariyoshi, Gen; Saruta, Koichi; Kogawa, Hiroyuki; Futakawa, Masatoshi; Maeno, Koki*; Li, Y.*; Tsutsui, Kihei*

水銀を核破砕標的とするパルス中性子源では、陽子線励起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いる。このような損傷の抑制手法として、旋回流式気泡注入器で水銀中に微小He気泡を混合し、その圧縮性効果を用いる手法や、標的容器内側に流路壁を追加した二重壁流路構造を設ける手法が採用されている。本研究では、二重壁流路体系において内壁部に生じ得るキャビテーション由来の貫通損傷を標的容器外部から検出する異常診断技術の確立を目指す。本論文では、貫通損傷が生じた場合の水銀流れを有限要素法に基づく流動解析で明らかにし、流体励起・音響振動の観点から、損傷の影響を評価した結果を報告する。

Cavitation damage on a target vessel due to proton beam-induced pressure waves is one of the crucial issues for the pulsed neutron source using a mercury spallation target. As a mitigation technique for the damage, the helium microbubble injection into the mercury has been carried out by using a swirl bubbler in order to utilize compressibility of bubbles. Moreover, double-walled structure, which consists of an outer wall and an inner wall, has been applied as the target head structure. In this study, we aim to develop an abnormality diagnostic technology to detect the inner wall cracking, which is caused by such cavitation damage, from the outside of the target vessel. The mercury flow fields in the case with the cracking are evaluated by computational fluid dynamics analysis based on finite element method. And then, effect of the cracking on the flow field is discussed from the point of view of the flow-induced vibration and the acoustic vibration.