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。

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。

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。

R&D on mercury target pitting issue

菊地 賢司; 粉川 広行; 二川 正敏; 石倉 修一*; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

Journal of Nuclear Materials, 318(1-3), p.84 - 91, 2003/05

https://doi.org/10.1016/S0022-3115(03)00016-3

水銀ターゲットの開発では、圧力波の発生に関連して生じるピッチングが技術課題となっている。ピッチングはSHPBによるオフ・ビーム実験で見つかり、LANSCE,WNRオン・ビーム試験で確認された。ターゲット設計に生かすため、水銀中に生じる圧力を80MPaから減少させ、生じるピッチングの下限界値を見極める一連の試験を実施した。その結果、20MPa以下では実質的なピッチングによる損傷は明らかに限定された結果を得た。ピッチングによる形態は2つあり、小さな穴の生成と広範なへこみであった。小さな穴が生成される場合には質量の欠損が見られるが、へこみではそれが無いと観察された。

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。

中性子散乱施設用液体金属ターゲットの構造評価,2; ターゲット容器の動的応力解析

石倉 修一*; 粉川 広行; 勅使河原 誠; 菊地 賢司; 二川 正敏; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 2000-008, p.80 - 0, 2000/02

JAERI-Tech-2000-008.pdf:3.19MB

中性子散乱施設用液体金属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、加速器から5MWのパルス状陽子ビームが液体金属ターゲットに入射するときの動的応力のパラメータ解析を、NMTC/JAERIによる核破砕発熱計算結果をもとに、陽解法による衝撃解析コードABAQUS/Explicitを用いて行った。対象としたターゲット構造は半球殻先端を有する円筒形状ターゲットであり、ビーム窓単体の板厚方向温度分布による熱応力と応力波の挙動、及び水銀中の圧力波に対するターゲット容器の動的挙動を検討した。その結果、水銀中の圧力波によりターゲット容器に発生する応力は水銀の熱膨張圧力が直接ターゲットウィンドウに作用する応力で最大170MPa、水銀の熱膨張圧力が半径方向の応力波伝搬によりターゲット容器銅部に生じる応力で最大130MPaになることがわかった。これらの結果から、構造設計の最適化を進めれば、ターゲット容器の候補材料であるSS316の設計許容応力が300で120MPa(暫定値)程度であるという条件のもとに、強度設計が可能になる見通しを得た。

中性子散乱施設用液体金属ターゲットの構造評価,第1報; 陽子ビームパルス熱入力による応力波の予備検討

石倉 修一*; 菊地 賢司; 二川 正敏; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 97-037, 36 Pages, 1997/08

JAERI-Tech-97-037.pdf:0.92MB

現在計画中の大強度陽子加速器の液体金属ターゲットを対象として、先行しているESS(1.33GeV/5MW)の液体ターゲットの検討例を参考にして、陽子ビームパルス入射時の入熱に起因する圧力波・応力波の挙動と、構造成立の見通しの可否について構造予備検討を行った結果、以下のことが分かった。(1)ターゲット容器に発生する応力は、代表的部位として2箇所を挙げると、ウインドウ部が容器直径に依存し400MPa~1000MPa程度の応力値であり、容器円筒部が同様に200MPa~400MPa程度の応力値である。(2)液体金属ターゲットの設計見通しとしては容器候補材料の1つであるHT-9の設計許容応力が約200MPaであり、構造設計の最適化により成立の見通しはあると判断できる。又、近々実施予定のBNLでの実験模擬解析を実施し、試験計画立案に反映した。今後は、液体金属のより適切な物理モデルの採用と、他の機械荷重・熱過渡荷重を考慮したより詳細な検討を進める。

無液面及び有液面蒸気発生器の大リーク・ナトリウム-水反応解析(II); 大リーク・ナトリウム-水反応解析(第16報)

田辺 裕美*; 鈴木 道博*; 橋本 博*

PNC TN9410 88-068, 114 Pages, 1988/06

PNC-TN9410-88-068.pdf:7.15MB

大型高速増殖炉の蒸気発生器(以下SG)に、カバーガス空間を設置した場合と設置しない場合との、大リーク・ナトリウム-水反応時の挙動の比較を行った。今年は、特にSG上部に圧力開放系配管を設置した場合の初期スパイク圧及び準定常圧計算を行った。解析にはSWACSコードを使用した。解析結果から次のことが判った。圧力解放系として、SG上部及び下部プレナムに16Bの配管をそれぞれ設置するよりも、SG上部プレナムに16B2本、または24B1本の配管を設置する方が、初期スパイク圧低減効果が大きく、準定常圧力評価も発生水素ガスの排出効果が大きい。ミドルレグ配管短縮については、主循環ポンプ液面と反応点が近づくことから、圧力波減衰効果が大きい。

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。