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粉川 広行; 涌井 隆; 二川 正敏
Fluids (Internet), 10(1), p.3_1 - 3_15, 2025/01
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。
羽賀 勝洋; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 若井 栄一; 二川 正敏
Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 13 Pages, 2022/03
J-PARCではMWクラスの核破砕中性子源を実現するために水銀ターゲットの流路構造としてクロスフロー型ターゲットを開発し、流路構造の改良を継続してきた。高出力の短パルス陽子ビームが水銀ターゲットに入射すると、急激な水銀の発熱と体積膨張により最大40MPaにも達する圧力波が誘起され、ターゲット容器にキャビテーション損傷を生じさせる。このため、水銀流路にマイクロバブル生成器を配置し、バブルの収縮により水銀の体積膨張をクッションのように吸収することで圧力波を低減する技術や、陽子ビームが入射する容器壁に内壁を設けて、狭隘流路に形成される速い水銀流れの大きな速度勾配を利用してキャビテーション損傷を低減する技術などを水銀ターゲット容器の流路構造に導入した。これらの技術開発により、2020年には36.5時間の1MW連続運転を成功させ、2021年4月から最大740kWの高出力で長期の安定な利用運転を達成した。本報告は、主に水銀ターゲット容器の熱流動設計に関して1MW運転を実現するまでの技術開発をまとめたものである。
直江 崇; 木下 秀孝; 粉川 広行; 涌井 隆; 若井 栄一; 羽賀 勝洋; 高田 弘
Materials Science Forum, 1024, p.111 - 120, 2021/03
J-PARCの核破砕中性子源に設置されている水銀標的容器は、水銀中に生じる陽子線励起圧力波が引き起こすキャビテーションによって損傷を受ける。キャビテーションによる壊食損傷を低減する方策として、キャビテーションを誘発する圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入に加えて、ビーム窓先端に狭隘流路を有する2重壁構造容器を採用した。損傷低減化策の効果を確認するために、使用後の標的容器先端部を切断し、内部に形成された損傷を観察した。その結果、積算出力1812MWh(平均強度434kW)で微小気泡を注入して運転した2重壁構造容器で観測された損傷は、積算出力1048MWh(平均強度181kW)の気泡を注入しない従来型容器で観測された損傷と同等であった。さらに、狭隘流路に接する側では、気泡が注入された水銀に接する側より著しく損傷が少ないことを確認した。
直江 崇; 木下 秀孝; 粉川 広行; 涌井 隆; 若井 栄一; 羽賀 勝洋; 高田 弘
JPS Conference Proceedings (Internet), 28, p.081004_1 - 081004_6, 2020/02
J-PARC核破砕中性子源の水銀ターゲット容器(SUS316L製)は、陽子線入射によって生じる水銀中の圧力波が引き起こすキャビテーションにより、ビームが入射する先端部厚さ3mmの壁が損傷する。キャビテーションによる損傷は、ビーム出力と共に増加するため、ターゲット容器の寿命を制限する因子となっている。J-PARCの目標である1MWにおける長期安定運転を実現するために、損傷低減化策として、圧力波抑制のための気泡注入に加えて、先端部に主流の4倍の流速を発生できる幅2mmの狭隘流路を有する先端部二重壁構造の容器を採用した。運転終了後に損傷低減化策の効果を確認するために、容器内壁を切り出して観察した。これまでの経験を踏まえ、確実に切出しを実施するためにコールド試験を通じて切出し条件を最適化して、2017年にターゲット2号機(損傷低減化策無し)、及び2018年に8号機(損傷低減化策有り)の切り出しを実施した。ワークショップでは、切出した試料の損傷観察結果を紹介すると共に、損傷低減化策の効果について報告する。
高田 弘; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 麻生 智一; 明午 伸一郎; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 大井 元貴; 原田 正英; et al.
Quantum Beam Science (Internet), 1(2), p.8_1 - 8_26, 2017/09
大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設では、パルス核破砕中性子源から高強度かつ狭いバルス幅の中性子を供給し、多様な中性子科学研究の推進に役立てている。この核破砕中性子源の構成機器は、エネルギー3GeV、繰り返し25Hz、強度1MWという世界最高クラスの強度の陽子ビームで駆動されルことを前提に設計されており、水銀ターゲットと3種類の液体パラ水素モデレータがその中枢の機器である。目標とする1MWの陽子ビームによる運転に向けて、まだ途上段階にあるが、本報告では、この核破砕中性子源のターゲット・モデレータ・反射体システムの特色ある性能について解説する。
鍵 叡史*; 杉本 勝美*; 阿部 雄太; 相澤 康介; 村川 英樹*
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉(SFR)の一次冷却系では、非凝縮性ガスが微小気泡としてナトリウム中を輸送され、炉心反応度に影響を及ぼす可能性がある。このため、液体ナトリウム中の気泡挙動を高精度に予測できる数値解析コードの整備が求められ、その妥当性確認にはボイド率や気泡数の実験的評価が不可欠である。一方、不透明な液体ナトリウムでは計測手法が限られる。そこで本研究では、超音波透過特性から気泡径分布を推定する音響式気泡分布計測システム(ABS)に着目し、ナトリウム適用を念頭に超音波およびAEセンサを用いた計測系を検討した。逆解析には、気泡径分布の非負性やボイド率の上限制約などの物理拘束を導入した。水中マイクロバブルを対象とした試験の結果、数十
mオーダの気泡径分布を検出できることを確認し、液体ナトリウム条件への適用可能性を示した。
池田 翼; 粉川 広行; 直江 崇; 川村 駿介; 田中 伸厚*; 二川 正敏
no journal, ,
J-PARCの中性子源水銀ターゲットでは、大強度の陽子線入射により圧力波が発生する。圧力波はキャビテーションを誘発し、キャビテーションは水銀を包含するステンレス鋼製の容器に激しい壊食損傷を形成する。中性子源の高出力での安定運転のためには、キャビテーション損傷を抑制することが重要である。圧力波を低減するための手法として、水銀中への気泡注入が有望であり、水銀中への微小気泡注入のために旋回流型の気泡発生装置が開発・実装されている。本研究では、気泡発生装置に対して圧力損失を抑えて気泡注入量を増加する最適化のために、旋回流形成羽根とベンチュリの絞り比の影響を調べた。その結果、気泡注入力は絞り比を低下させることで増加した。
有吉 玄; 伊藤 啓*; 粉川 広行; 二川 正敏
no journal, ,
大強度陽子加速器施設(J-PARC)における核破砕水銀標的では、圧力波による標的容器のキャビテーション損傷が問題視されており、水銀中に微小He気泡を混合した水銀-He二相流を利用する損傷抑制技術が開発されている。圧力波の抑制・減衰に有効な固有振動数を有する気泡の半径は約0.1mm以下とされているが、水銀流中における微小気泡の合体・分裂挙動により、最も損傷抑制が要求される陽子ビーム窓部の気泡半径が適正値と異なり得ることが予想される。したがって、水銀-He二相流における気泡半径分布等の二相流特性に関する実験データの取得およびそれを基にした予測モデルの構築が必要となる。そこで本研究では、水銀標的内部における気泡半径分布の予測を目的として、空気-水二相流をモデル流体とした微小気泡の合体・分裂挙動の可視化実験および数値予測コードの開発を進めている。本報では、可視化実験結果の一例および予測コードの開発状況について報告する。
