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

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

JAEA-Technology 2023-022, 81 Pages, 2024/01

JAEA-Technology-2023-022.pdf:9.87MB

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。

J-PARCにおける核破砕中性子標的

羽賀 勝洋

加速器, 18(4), p.210 - 216, 2022/01

https://doi.org/10.50868/pasj.18.4_210

高出力加速器を用いたパルス核破砕中性子源は、物質科学や生命科学の分野において最先端の研究を行うために適した高強度で幅の狭い良質な中性子を供給できる有用な装置である。このシステムでは、高出力加速器で作り出すkWからMWオーダーの陽子ビームを重金属の標的に入射し、標的原子核との核破砕反応により大量の中性子を生成し、この中性子を減速材や反射体で熱・冷中性子に減速し、先端的な中性子実験装置群に供給する。本稿では主にJ-PARCのパルス核破砕中性子源について、中性子ビームを生成するしくみと中性子源の構造の概要、水銀標的等の標的の工学的設計手法、パルス陽子ビームの入射により水銀中で発生する最大40MPaにも達する圧力波による標的容器の損傷を低減する方法などの技術課題とその対策について解説する。

Cavitation damage prediction for the JSNS mercury target vessel

直江 崇; 粉川 広行; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 木下 秀孝; 高田 弘; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 468, p.313 - 320, 2016/01

BB2014-2665.pdf:3.4MB

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.08.035

J-PARCの核破砕中性子源(JSNS)水銀ターゲット容器は、陽子線入射励起圧力波により励起されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーションによる損傷は、容器の構造健全性を低下させるため現在のところ容器の交換寿命を決める支配因子となっている。圧力波及びキャビテーションによる損傷を低減するためには、水銀中にガスマイクロバブルを注入することが効果的な手法である。JSNSでは、ガスマイクロバブルを注入するためのシステムを2012年10月に設置し、レーザードップラー振動計を用いて容器の振動をモニタリングすることによって水銀中へのバブル注入の効果をした。その結果、振動速度は気泡注入量の増加に伴って減少することを確認した。また長期間の運転では、気泡注入によって平均でバブル注入無しの1/4程度の振動速度を維持した。

複数気泡系モデルとしての3結合振動子に観測されるavoided crossing

井田 真人

日本流体力学会年会2005講演論文集(CD-ROM), 6 Pages, 2005/09

流体中で音響的に相互作用する3つの気泡の共振周波数と脈動位相について議論し、複数気泡系にavoided crossingが起こりうることを示す。結合振動子モデルを用いた解析により、気泡が3つ以上存在し相互作用する場合には、気泡間距離の関数として示された共振周波数がavoided crossingを示しうることを明らかにする。さらに、気泡の脈動位相と遷移周波数[Ida, Phys. Lett. A 297, 210 (2002); J. Phys. Soc. Jpn. 71, 1214 (2002)]に着目することで、avoided crossing領域において気泡間で明確な状態交換がなされることを示す。この状態交換は、共振周波数には相当しない遷移周波数が共振周波数と交わる点上で引き起こされる。

日本原子力研究所大強度陽子加速器施設開発センター中性子施設開発グループ,ターゲットサブグループ

粉川 広行

実験力学, 5(1), P. 64, 2005/03

日本原子力研究所東海研究所では、大強度陽子加速器施設J-PARCの開発・建設を進めている。中性子施設開発グループは、J-PARC施設の一つである物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源の開発をおもに行っている。核破砕中性子源では、加速器で加速されたパルス陽子ビームを、水銀ターゲットに入射し、核破砕反応によって発生した中性子を測定実験に供する。水銀ターゲットに関する主な課題を示す。(1)水銀中に圧力波が発生し、水銀ターゲット容器に負荷を与える。実際に水銀に陽子を入射して圧力波を発生させ、容器の変位速度を、レーザードップラー振動計を用いて計測し、その結果をもとに、応力解析の高精度化を行っている。(2)圧力波の伝播によって、水銀中にキャビテーションが発生して、容器に損傷をもたらす。水銀中で繰返しキャビテーション損傷を与える装置を製作し、キャビテーション損傷のデータを、レーザー顕微鏡を用いて取得し、容器の寿命評価手法を開発している。(3)He気泡注入機構を設置した水銀ループを製作し、キャビテーション損傷に対する微小He気泡の影響を評価し、圧力波、及びキャビテーション損傷の抑制技術を開発する計画である。これらの課題を解決しながら設計を進めている。

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

https://doi.org/10.2472/jsms.53.283

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。

衝撃荷重を受ける液体と構造体の連成挙動

粉川 広行; 石倉 修一*; 二川 正敏; 日野 竜太郎

実験力学, 2(2), p.122 - 127, 2002/06

https://doi.org/10.11395/jjsem2001.2.122

MWクラスの中性子散乱施設用水銀ターゲットでは、大強度のパルス陽子ビームが水銀に入射することにより、水銀は急激に発熱して水銀中に圧力波が発生する。圧力波がターゲット容器壁(構造体)に到達すると容器壁に大きな負荷を及ぼすとともに、構造体の変形と液体水銀の連成挙動により水銀が膨張してターゲットビーム窓の近くで負圧(引張)が発生することが解析的に示されている。負圧の発生によりキャビテーション気泡が生じ、気泡崩壊の際のマイクロジェットによりターゲットビーム窓は損傷を受ける可能性がある。そこで、衝撃荷重下での構造体と液体の変形による負圧の発生現象を把握するために、円筒容器に水を満たして衝撃実験を行い、衝撃荷重下での構造体と液体の連成挙動を調べた。試験は、円筒容器の底に模擬ビーム窓を設置し、容器上部から直接水に衝撃を与えて水中に圧力波を発生させた。その際、模擬ビーム窓の厚さ及び衝撃速度を変化させて負圧発生の挙動を調べた。その結果、模擬ビーム窓が薄く、衝撃速度が速いほど、模擬ビーム窓の変形の慣性効果が大きくなるために、模擬ビーム窓近傍で負圧が発生しやすいことを明らかにした。並行して、有限要素法による解析を行い、衝撃荷重下での液体と構造体の連成挙動のモデルを検証した。

Development of the techniques to mitigate the cavitation damages in the J-PARC mercury target

羽賀 勝洋; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 二川 正敏; 高田 弘

no journal, , 

J-PARC核破砕中性子源の水銀ターゲットでは1MWの大強度陽子ビームの入射により、水銀中に強い圧力波が発生し、これがターゲット容器にキャビテーション損傷を与えることで容器の寿命が著しく低下するため、キャビテーション損傷をいかに低減するかが重大な課題であった。この課題を解決するため、流動する水銀中に直径100m以下のマイクロバブル(気泡)を注入し、損傷を抑制する技術を開発した。気泡生成器を新たに開発してターゲット容器に設置し、2012年10月から気泡注入運転を開始した。レーザードップラー振動計を用いて圧力波で誘起されるターゲット容器の振動を計測し、気泡のない場合に比べて振動速度が1/3に低減されることを確認した。更に高出力化への対応として、早い水銀流れによるキャビテーション損傷の抑制に着目し、ターゲット容器へ陽子ビームが入射する壁面であるビーム窓部に内壁を追加することで幅2mmの狭隘流路を形成する二重壁構造を採用した。解析の結果、ターゲット容器内の水銀流速は1.2m/s程度であるのに対し、狭隘流路内では4m/sの速い流速が得られることが分かり、損傷抑制の効果を期待できる。

Thermal hydraulic design of double-walled mercury target vessel

羽賀 勝洋; 直江 崇; 涌井 隆; 粉川 広行; 木下 秀孝; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCの1MW核破砕中性子源の水銀ターゲット容器では、大強度のパルス陽子ビーム入射に伴い水銀中で発生する圧力波で誘起される容器壁面のキャビテーション損傷が、容器寿命を左右する重要な要因となる。これまでの解析的及び実験的研究や、米国のSNS施設の運転経験により、壁面近傍の速い水銀流れがキャビテーション損傷を抑制する効果を持つことが分かってきた。同様な効果を得るために、J-PARCのターゲット容器において陽子ビームが入射する壁面(ビーム窓部)の内側に壁を設けて二重壁構造とし、幅2mmの狭隘流路を形成した。計算コード(ANSYS Fluent)を用いた解析の結果、狭隘流路内では水銀流速を4m/sにまで高められることが分かった。また、内壁に円形の穴を設けたモデルをつくり、損傷による影響を解析および水実験で調べた結果、穴の大きさが10mm程度なら狭隘流路内の水銀流速への影響は小さく、外壁(ビーム窓部)へのキャビテーション損傷の抑制効果は維持できる可能性のあることを見い出した。

ナトリウム冷却高速炉ホットレグ配管入口部における液中渦キャビテーションに関する研究,7; 壁面境界層における液中渦挙動の検討

伊藤 啓; 江連 俊樹; 功刀 資彰*; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉の上部プレナム内において、吸込み配管入口にキャビテーションを伴う液中渦が形成される可能性がある。これまで、実験的・解析的研究を進めた結果、キャビテーション気泡の発泡点は炉容器壁面上であることを確認している。このため、液中渦キャビテーション発生を評価する観点からは壁面境界層内における液中渦挙動を評価することが重要であるが、現状では計測精度などの制約によって壁面境界層内の流れ場を明らかにすることは困難である。一方、壁面上に形成される渦流れの理論的研究は、von Karmanによる回転円板上の渦流れやEkman層などが知られているが、それらの流れ場に対して用いられている仮定は液中渦に対しては必ずしも当てはまらない。したがって、本研究では、液中渦キャビテーション評価手法開発の一環として、壁面境界層内における液中渦流れ場のモデル化に関する検討を行い、境界層内の速度分布・圧力分布に関する指針を得る。