Damage on a solid-liquid interface induced by the dynamical behavior of injected gas bubbles in flowing mercury

流動水銀中における注入ガス気泡の動的挙動に誘起される固液界面の損傷

粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 二川 正敏  

Kogawa, Hiroyuki; Wakui, Takashi; Futakawa, Masatoshi

マイクロバブルはさまざまな分野で応用されている。核破砕中性子源の水銀ターゲットでは、キャビテーション損傷が寿命評価上重要な問題であり、マイクロバブルを水銀中に注入することにより、パルス陽子ビームの入射による水銀の熱膨張を吸収し、巨視的な圧力波を低減し、損傷を低減することができる。近年、陽子ビームパワーを増加させ、ガスバブルの注入量を増加させたところ、固液界面に特異な損傷形態が観察された。詳細な観察と数値解析により、ガス気泡が収縮する際に発生する微視的な圧力がピット損傷を形成するのに十分であること、すなわち、ピット損傷を連結して形成される筋状の欠陥の方向がガス気泡の軌道方向と一致していること、また、ピット間の距離がガス気泡の固有振動周期を考慮して理解できることが明らかになった。このことは、マクロな圧力波を低減するガスマイクロバブルは、ガスバブルから放出されるミクロな圧力によるキャビテーション損傷を抑制する可能性があることを示している。損傷を完全に緩和するためには、ガス気泡注入による巨視的圧力波の低減と、気泡ダイナミクスによる微視的圧力の低減という2つの効果を考慮する必要がある。

Microbubbles have been applied in various fields. In mercury targets of spallation neutron sources, where cavitation damage is a crucial issue for the life estimation, microbubbles are injected into the mercury to absorb the thermal expansion of the mercury caused by the pulsed proton beam injection and reduce the macroscopic pressure waves, and result in reducing the damage. Recently, when the proton beam power was increased and the amount of injected gas bubbles was increased, unique damage morphologies were observed on solid-liquid interface. Detailed observation and numerical analyses revealed that the microscopic pressure emitted from the gas bubbles contracting is sufficient to form pit damage; i.e. the directions of streak-like defects which are formed by connecting pit damage coincides with the direction of gas bubble trajectories, and the distances between pits was understandable taking the natural period of gas bubble vibration into account. This indicates that the gas microbubbles to reduce the macroscopic pressure waves have potential to be inceptions of the cavitation damage due to the microscopic pressure emitted from gas bubbles. To completely mitigate the damage, we have to consider the two effects of injecting gas bubbles; reducing macroscopic pressure waves and microscopic pressure due to bubble dynamics.