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。

Small gas bubble experiment for mitigation of cavitation damage and pressure waves in short-pulse mercury spallation targets

Riemer, B. W.*; Wendel, M. W.*; Felde, D. K.*; Sangrey, R. L.*; Abdou, A.*; West, D. L.*; Shea, T. J.*; 長谷川 勝一; 粉川 広行; 直江 崇; et al.

Journal of Nuclear Materials, 450(1-3), p.192 - 203, 2014/07

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.10.011

水銀ターゲットにおいて陽子線が入射して励起される圧力波と、それによって発生する容器のキャビテーション損傷に対するマイクロバブル注入の効果を調べるために、水銀ループを製作し、ロスアラモス研究所のWNR施設にて、パルス陽子線入射実験(米国中性子源の2.5MW相当)を行った。実験に先駆けて12種類の気泡発生装置の性能(半径150m以下の気泡半径分布と気泡含有率)を評価し、原子力機構が開発した旋回流型気泡発生装置及びオークリッジ研究所が開発したオリフィス型気泡発生装置を選定した。水銀流動条件、気泡注入条件、陽子線強度を系統的に変化させた19条件でそれぞれ100回の陽子線入射を実施し、陽子線入射に励起されるループの音響振動をレーザードップラー振動計とマイクロホンで計測すると共に、試験片の損傷を評価した。その結果、気泡含有率の増加と共に形成される損傷痕の深さが浅くなり、気泡含有率510では、気泡無し時の約1/3になることを確認した。また、音響振動には損傷痕深さに対応した高周波数成分の減少が観測された。

マイクロバブルを用いた除染手法の検討,2

山本 啓介; 青山 佳男

no journal, , 

旧ウラン濃縮施設の廃止措置で発生するウランで汚染された機器等の廃棄物は、トレンチ処分に向け、除染が必要になる場合がある。人形峠環境技術センターでは、5wt%硫酸を除染に用いているが、酸性廃液等の大量の二次廃棄物が発生するという課題がある。この課題を解決する新しい除染手法として、マイクロバブルに着目した。マイクロバブルの特徴である「気泡表面の帯電」による吸着効果及び「消滅時の衝撃波」による剥離効果によって、除染が期待できる。本研究では、ウランで汚染された機器等の廃棄物のトレンチ処分に向け、イオン交換水中にマイクロバブルを発生させた水(マイクロバブル水)を用いた除染手法の検討を行う。平成27年度は、マイクロバブル水及びイオン交換水を用いた除染試験を実施し、除染試験後の表面密度を比較した結果、マイクロバブル水を用いた方が低い表面密度を示したことから、マイクロバブル水はイオン交換水と比べて除染効果が高いことを確認した。平成28年度は、マイクロバブル水及び5wt%硫酸を用いた除染試験を実施し、除染試験後の表面密度及び放射能濃度を比較することで、マイクロバブル水のトレンチ処分に向けた除染への適用性を確認した。

Effect of microbubble injection on cavitation erosion

Sun, X.*; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)には水銀を標的に用いたパルス核破砕中性子源が設置されている。陽子ビームが標的に入射すると、水銀の熱衝撃に起因する圧力波が発生する。圧力波が水銀中を伝ぱする過程で発生する負圧によって、標的容器内壁に損傷を形成するキャビテーションが生じる。MLFでは、圧力波を低減するために水銀中へのマイクロバブル注入を実施している。本研究では、マイクロ秒スケールで持続する負圧に対するマイクロバブル注入の効果について、水中での超音波ホーンを用いた損傷実験により評価した。