Cavitation damage prediction in mercury target for pulsed spallation neutron source using Monte Carlo simulation

モンテカルロ・シミュレーションを用いた核破砕中性子源水銀ターゲット容器のキャビテーション損傷予測

涌井 隆  ; 高岸 洋一*; 二川 正敏  

Wakui, Takashi; Takagishi, Yoichi*; Futakawa, Masatoshi

水銀ターゲット容器は、陽子ビームの入射に伴い、キャビテーション損傷を受けるため、キャビテーションバブルの位置や衝撃圧力分布の不確実さを考慮して、モンテカルロ・シミュレーションを用いたキャビテーション損傷を予測する手法を提案した。本手法では、個々のキャビテーション気泡の崩壊に起因する衝撃圧力の分布はガウス分布とし、衝撃圧力の最大値の確率密度分布は3種類の分布: デルタ関数、ガウス分布、ワイブル分布と仮定した。衝撃圧力の分布を記述する方程式の2つのパラメータについて、実験から得られたキャビテーション損傷の分布とシミュレーションから得られた累積塑性ひずみの分布を比較し、ベイズ最適化を使用して推定することができた。また、ワイブル分布を用いて得られた結果が、他の結果に比べて、実際のキャビテーションエロージョン現象を再現することが分かった。

Cavitation damage on the mercury target vessel is induced by proton beam injection in mercury. The prediction method of the cavitation damage using Monte Carlo simulations was proposed taking into account of the uncertainties of the position of cavitation bubbles and impact pressure distributions. The distribution of impact pressure attributed to individual cavitation bubble collapsing was assumed to be the Gaussian distribution, and the probability distribution of the maximum value of impact pressures was assumed to be three kinds of distributions; the delta function, the Gaussian and Weibull distributions. Two parameters were estimated using Bayesian optimization by comparing the distribution of the cavitation damage obtained from experiment with that of accumulated plastic strain obtained from the simulation. It was found that the results obtained using the Weibull distribution reproduced the actual cavitation erosion phenomenon better than the other results.