水銀ターゲット容器内壁のキャビテーション損傷観察に関する技術資料,2; キャビテーション損傷深さの測定

Technical note for the cavitation damage inspection for interior surface of the mercury target vessel, 2; Damage depth measurement for cavitation erosion

直江 崇   ; 涌井 隆  ; 木下 秀孝   ; 粉川 広行  ; 勅使河原 誠   ; 羽賀 勝洋  

Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Kinoshita, Hidetaka; Kogawa, Hiroyuki; Teshigawara, Makoto; Haga, Katsuhiro

大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギーのパルス陽子ビーム入射時に、核破砕反応による中性子の発生と同時に水銀の急激な熱膨張によって、圧力波が発生する。この圧力波は、水銀中を伝ぱする過程で負圧によるキャビテーションを誘発する。水銀を充填するステンレス鋼製の水銀ターゲット容器の内壁近傍でキャビテーションが崩壊することによって、内壁表面には激しい壊食損傷が形成される。水銀ターゲット容器は、陽子ビームが入射することによって先端部分の内部発熱に起因する熱応力を低減するために、先端部を厚さ3mmの薄肉構造としている。陽子ビーム強度の増加に伴って、キャビテーションによる攻撃性は増加するため、壊食損傷がターゲット容器の疲労破壊や水銀の漏洩につながる。したがって、設計出力である1MWでの長期的な安定運転を実現するために損傷の低減化が求められている。キャビテーションによる容器壁面の壊食損傷を低減することを目的として、圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入や、ターゲット容器先端部の2重壁構造化などの対策を施している。損傷低減化策の効果の確認や、ビーム出力と壊食痕による損傷深さの相関を評価し、今後の運転条件を検討するために、使用済みのターゲット容器の先端部から試験片を切出し、損傷の観察を実施している。これまでに、内壁に形成されたキャビテーションによる損傷形態の観察と壊食痕による損傷の深さを測定することで、運転条件との相関について検討を実施し、気泡注入によって著しい損傷低減効果が発現されること、2重壁構造によって、先端部分の損傷形成がビーム出力に依存せず抑制できることを確認した。これらの成果によって、施設の設計目標である1MWの安定運転を実施可能な見通しを得た。本報では、これまでに開発、適用した実機水銀ターゲット容器内壁の損傷観察の手法、測定結果及び運転条件との相関についてこれまでに得られた成果をまとめる。

In the liquid mercury target system for the pulsed spallation neutron source of Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) in the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), pressure waves that is generated by the high-energy proton beam injection simultaneously with the spallation reaction, resulting severe cavitation erosion damage on the interior surface of the mercury target vessel. Because the bubble of pressure wave-induced cavitation collapsing near the interior surface of the mercury target vessel with applying the large amplitude of localized impact on the surface. Since the wall thickness of the beam entrance portion of the target vessel is designed to be 3 mm to reduce thermal stress due to the internal heating, the erosion damage has the possibility to cause the vessel fatigue failure and mercury leakage originated from erosion pits during operation. To reduce the erosion damage by cavitation, a technique of gas microbubble injection into the mercury for pressure wave mitigation, and double-walled structure of the beam window of the target vessel has been applied. A specimen was cut from the beam window of the used mercury target vessel in order to investigate the effect of the damage mitigation technologies on the vessel, and to reflect the consideration of operation condition for the next target. We have observed cavitation damage on interior surface of the used mercury target vessel by cutting out the disk shape specimens. Damage morphology and depth of damaged surface were evaluated and correlation between the damage depth and operational condition was examined. The result showed that the erosion damage by cavitation is extremely reduced by injecting gas microbubbles and the damage not formed inside narrow channel of the double-walled structure for relatively high-power operated target vessels.