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論文

Micro-impact damage caused by mercury bubble collapse

二川 正敏; 直江 崇*; 粉川 広行; 伊達 秀文*; 池田 裕二郎

JSME International Journal, Series A, 48(4), p.234 - 239, 2005/10

J-PARCに設置される核破砕パルス中性源には、ターゲット材として液体水銀を使用する。大強度陽子線入射時には、熱衝撃に伴う圧力波が水銀中に発生する。この圧力波の伝播過程で水銀中でキャビテーション気泡が生成し、気泡崩壊に伴う局所衝撃がターゲット容器の水銀接液界面に負荷する。本報では、液体水銀衝撃パルス負荷実験により形成したキャビテーション衝撃壊食痕、すなわちマイクロピット形状から局所衝撃力を評価した。さらに、気泡崩壊時に発生するマイクロジェット衝撃力を液球体による固/液界面の衝撃問題として数値解析を行い、実験結果と比較した。その結果、ピット半径と深さの比に着目すれば、マイクロジェット衝撃速度を推定できることがわかった。さらに、MW-classの水銀ターゲットでは気泡崩壊時に300m/s程度の衝撃負荷が発生することが推定された。

論文

Pitting damage by pressure waves in a mercury target

二川 正敏; 直江 崇; Tsai, C.-C.*; 粉川 広行; 石倉 修一*; 池田 裕二郎; 祖山 均*; 伊達 秀文*

Journal of Nuclear Materials, 343(1-3), p.70 - 80, 2005/08

 被引用回数:55 パーセンタイル:95.67(Materials Science, Multidisciplinary)

核破砕中性子源水銀ターゲットには、大強度のパルス陽子ビームが入射される。このとき、水銀内には熱衝撃に起因する膨張波が生じ、その伝播過程でキャビテーションによる損傷がターゲット容器内壁に形成される。この損傷挙動を電磁力衝撃圧負荷試験装置により観察し、繰り返し周波数及び入力パワー依存性について調べた。さらにバブル崩壊により誘発される音響振動に着目した損傷ポテンシャルを提案するとともに、バブルダイナッミックスに基づく数値解析を行った。その結果、以下の結論を得た。(1)侵食挙動は微小領域塑性変形支配の潜伏期と質量減少を伴う定常期に大別できる。(2)定常期の質量減少を予測しうる実験式を導出した。(3)潜伏期間は、入力パワーの増加とともに縮小し、繰り返し周波数の増加により拡大する。

論文

液/固体界面の衝撃壊食に及ぼす表面硬化の影響

二川 正敏; 直江 崇*; 粉川 広行; 石倉 修一*; 伊達 秀文*

材料, 53(3), p.283 - 288, 2004/03

大強度のパルス陽子線が水銀ターゲット中に入射するため、液体水銀内部では急激な発熱反応に伴う熱膨張により、圧力波が生じる。圧力波の伝播過程でキャビテーション壊食による損傷が懸念され、固体金属容器の寿命を決定する重要な因子となる。これまでに種々の材料に対してSplit-Hopkinson-Pressure-Bar(SHPB)衝撃原理に基づいた平面ひずみ波入射実験装置を用いて、固体/液体界面に衝撃圧力を負荷する実験を行い、損傷評価基礎実験を行った。これより、マイクロピット群の形成による衝撃壊食損傷の程度が、材料の硬度と明瞭な相関があることを見いだした。そこで、本報では、ターゲット容器内壁に処理可能な各種表面硬化処理により損傷の低減化を試み、その可能性について検討した。

論文

Erosion damage on solid boundaries in contact with liquid metals by impulsive pressure injection

二川 正敏; 粉川 広行; 日野 竜太郎; 伊達 秀文*; 武石 洋征*

International Journal of Impact Engineering, 28(2), p.123 - 135, 2003/02

核破砕液体水銀ターゲットでは、陽子線ターゲット入射時の発熱現象に伴う熱膨張により圧力波が生じる。液体/固体金属界面における圧力波(液体中)から応力波(固体金属中)への動的伝播挙動は複雑な連成問題となる。液体/固体金属の音響インピーダンスの差異から、圧力波の伝播過程で液/固体界面では巨視的あるいは微視的な不連続変動に伴った負圧が生じる。したがって、液体界面ではいわゆるキャビテーションが生じ易い条件が成立し、キャビテーション崩壊に伴う衝撃波やマイクロジェットによる固体界面の損傷が懸念される。そこで、Split-Hopkinson-Pressure-Bar(SHPB)原理に基づく衝撃負荷装置により、平面歪み波を水銀中に入射させることで液体/固体金属界面に急速変動を与えて、界面における応力波/圧力波変換挙動及び壊食損傷について4種類の金属材料に対して検討した。その結果、損傷の程度は材料の硬さに対応し、硬度の増加に伴い損傷の程度は低下すること、壊食痕周囲に発達したすべり線分布から局所的に動的降伏応力を越える圧力が作用したことがわかった。

論文

核破砕水銀ターゲットの熱衝撃解析

石倉 修一*; 粉川 広行; 二川 正敏; 日野 竜太郎; 伊達 秀文*

高温学会誌, 28(6), p.329 - 335, 2002/11

中性子散乱施設用液体金属(水銀)ターゲットの開発における工学的課題を明らかにするために、3GeV/1MWのパルス状陽子ビームがクロスフロー型液体金属ターゲットに入射するときの動的熱衝撃解析を行った。解析モデルは、実機構造を模擬した半円筒ウィンドウ型と平板ウィンドウ型の2種類の構造を対象とし、NMTC/JAMによる核破砕発熱計算結果を基に、衝撃解析コードLS-DYNAを用いて解析した。その結果、動的熱衝撃により発生する応力は、最も厳しい環境にあるウィンドウ中心部で、半円筒型よりも平板型の方が構造設計上有利であり、応力分類として2次応力的な性質を持つことがわかった。また、ターゲット主要部に発生する応力は曲げ応力,疲労強度ともにJISの基準を満足していることがわかった。

論文

水銀液滴の衝撃挙動

伊達 秀文*; 二川 正敏; 石倉 修一*

実験力学, 2(2), p.103 - 108, 2002/06

核破砕中性子源として液体水銀の適用が計画されている。陽子入射時に生じる瞬時発熱により、液体水銀には圧力波が生じることから、ターゲット容器の健全性確保には液体水銀の動的特性に基づく固/液体連成挙動の評価が重要である。液体水銀と固体金属との衝突現象について、水銀液滴と固体壁面との衝突現象を高速度カメラで捕らえると共に、衝撃弾性棒を用いた衝撃力の計測を行った。衝突時の水銀液滴の変形は、衝撃速度と衝突壁面粗さに依存した挙動を示した。また、衝撃パルスの持続時間を衝撃体の音速と形状係数で無次元化した衝撃持続時間は、衝突速度及び液滴サイズに依存せず一定値を示すことを実験的に確認した。この関係から水銀液滴衝撃により降伏応力を越える臨界衝撃速度は、316ssの場合約5m/sと見積もられた。この値は水の場合の約1/20であり、液体水銀ターゲット容器が衝撃壊食損傷を受ける可能性を示唆した。

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