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論文

Mitigation of cavitation damage in J-PARC mercury target vessel

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。

論文

Materials and Life Science Experimental Facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 1; Pulsed spallation neutron source

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。

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:53 パーセンタイル:3.93(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

Effect of proton beam profile on stress in JSNS target vessel

粉川 広行; 石倉 修一*; 佐藤 博; 原田 正英; 高玉 俊一*; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 日野 竜太郎; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; et al.

Journal of Nuclear Materials, 343(1-3), p.178 - 183, 2005/08

 被引用回数:8 パーセンタイル:47.03(Materials Science, Multidisciplinary)

JSNSのために開発を進めているクロスフロー型(CFT)水銀ターゲットでは、ビーム窓近傍での水銀の停滞領域発生を抑制するために、水銀を陽子ビームに直交するようにフローガイドブレードに沿って流す。これまで、水銀のモデルに弾性モデルを用いて動的応力解析を行ってきた。しかしながら、実際に陽子ビームを用いた最近の実験結果から、水銀のモデルにカットオフ圧力モデルを用いた方が実験結果に近い動的応力が得られることが示された。そこで、カットオフ圧力モデルを用いて動的応力解析を行った結果、半円筒型ビーム窓に発生する動的応力が、平板型ビーム窓に発生する応力よりも低くなることを明らかにした。また、陽子ビームを広げてピーク発熱密度を218W/ccまで低減して、ビーム窓の発生応力を許容応力以下にした。一方、陽子ビーム窓を広げたため、フローガイドブレード先端の発熱密度が高くなり、許容応力を超える熱応力が発生したが、ブレードの先端の形状を、水銀の流動分布に影響を及ぼさない範囲で薄くすることによって、発生する熱応力を許容応力以下にした。

報告書

水銀ターゲット容器の破損確率評価解析

石倉 修一*; 志賀 章朗*; 二川 正敏; 粉川 広行; 佐藤 博; 羽賀 勝洋; 池田 裕二郎

JAERI-Tech 2005-026, 65 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-026.pdf:2.86MB

本報は、大強度陽子加速器計画(J-PARC: Japan Proton Accelerator Complex)の中核施設である物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源となる水銀ターゲット容器(3重壁構造)の構造健全性評価を行うための基本データとするために、水銀容器及び保護容器(別名セーフティーハルで2重壁リブ構造)で想定される荷重条件下(水銀容器及び保護容器の内外圧と定常熱応力,水銀容器内の25Hzの熱衝撃に伴う圧力波による応力)で発生する応力値をもとに、実験から求められた照射と壊食による材料強度劣化(疲労寿命の低下)を考慮して、確率論的手法により破損確率の算定を行った。水銀容器と保護容器の破損確率を評価した結果、(1)水銀容器は圧力波による応力サイクルと壊食による疲労強度の低下が大きいために、5000hrを仮定した寿命中の破損確率は12%である。(2)保護容器は圧力波が作用しないために寿命中の破損確率は10$$^{-11}$$と十分低く、破損する可能性はほとんどない。したがって、万が一水銀容器が破損して水銀が漏洩した場合でも、保護容器が漏洩水銀を収納するとともに、同時に水銀漏洩検知器が機能することにより、漏洩水銀は保護容器内部に閉じ込めることが十分可能であることを定量的に示した。

論文

Damage diagnostic of localized impact erosion by measuring acoustic vibration

二川 正敏; 直江 崇*; 粉川 広行; 池田 裕二郎

Journal of Nuclear Science and Technology, 41(11), p.1059 - 1064, 2004/11

 被引用回数:11 パーセンタイル:40.92(Nuclear Science & Technology)

高出力核破砕中性子源の開発が世界で行われている。我が国では、革新的な科学研究の推進を目的としたJ-PARCの物質生命科学研究施設に、核破砕中性子源として水銀ターゲットが設置される。水銀を内包するターゲット容器はパルス陽子線入射時に衝撃的圧力変動を受ける。この圧力変動により生じるキャビテーションは、局所衝撃壊食をターゲット容器に付加する。この衝撃壊食は、ターゲット容器の寿命を支配する因子となる。これまでに、陽子線入射励起圧力波を再現できる電磁力衝撃圧負荷試験機を開発し、衝撃壊食の成長挙動を評価した。ここでは、局所衝撃エネルギに関連する音響振動を計測し、損傷形態と比較した。その結果、音響振動は、損傷の程度を推測する有効な情報を与えうることが明らかになり、音響振動によりターゲット容器構造健全性を診断できる可能性を示した。

報告書

ターゲット容器の構造強度及び寿命評価に関する技術資料

石倉 修一*; 二川 正敏; 粉川 広行; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; 原田 正英; 佐藤 博; 羽賀 勝洋; 池田 裕二郎

JAERI-Tech 2004-028, 123 Pages, 2004/03

JAERI-Tech-2004-028.pdf:9.55MB

本報告では、J-PARCの物質・生命科学実験施設に設置される核破砕中性子源水銀ターゲット容器について、これまでに実施してきた構造設計の考え方及び手順についてまとめた。基本的には、(1)ターゲット容器の構造設計では、(i)核分裂炉のような反応度事故が原理的に生じる可能性はないこと,(ii)永久構造物ではないことなどから、法規上は障防法を適用し、さらに、(2)安全かつ合理的な設計を行うために、原子力構造設計基準並みのJISB8270[圧力容器(基盤規格)]規格体系の第1種容器に準拠するものとし、「解析による設計法」を適用した設計応力により設計を決めることとした。また、付録には、ターゲット容器構造における最大荷重モードである圧力波の低減を目的として、陽子ビームプロファイルを変化させた場合に想定される種々の影響について検討した結果を述べた。

論文

水銀球衝突によるマイクロピット形成挙動

石倉 修一*; 粉川 広行; 二川 正敏; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 齊藤 正克*

日本原子力学会和文論文誌, 3(1), p.59 - 66, 2004/03

原研とKEKは共同で、大強度陽子加速器を用いた複合研究施設(J-PARC)の建設を進めている。その中核設備となるMW規模の核破砕中性子源に用いる液体水銀ターゲットが約1MWのパルス状陽子ビーム(パルス幅1ms)を受けた時、瞬時の熱膨張による圧力波が発生し、ターゲット容器に負荷すると同時に、キャビテーションの発生原因ともなる。キャビテーションが崩壊する時に誘起される水銀マイクロジェットが固体壁へ衝突する時のマイクロピット形成挙動を検討するために、水銀の状態方程式の非線形性と固体壁材料の降伏応力の歪速度硬化依存を考慮して、単一気泡を対象とした気泡動力学に基づき、水銀球が固体壁に衝突する解析を実施した。その結果、静的降伏応力が高い材料の場合、ピットの深さを抑制できるなどの、マイクロピットの形成と材料強度との関係を理解するうえで、重要な結果が得られた。

報告書

中性子散乱施設用液体金属ターゲットの構造評価,4; ターゲット容器ウィンドウ部の破壊力学的考察

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

JAERI-Tech 2003-093, 55 Pages, 2004/01

JAERI-Tech-2003-093.pdf:5.41MB

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定常熱応力と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もとに、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。ウィンドウ内面で水銀が負圧になりキャビテーションが発生し、ターゲット容器に損傷を与えることが実験により確認されたため、生成するピットとピット先端のき裂を対象に破壊力学的観点から評価した結果、ウィンドウ先端部では定常熱応力により圧縮応力場にあり、き裂は進展しないことがわかった。また、水銀ターゲットを設計するにあたり、今後必要となるキャビテーションの評価手法について整理した。

論文

System pressure effect on density-wave instability; Simplified model analysis and experiments

柴本 泰照; 井口 正; 中村 秀夫; 久木田 豊*

Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 11 Pages, 2003/04

沸騰垂直流路の安定限界における系圧力の影響について、解析的及び実験的な検討を行った。モデル作成は、Wallis-Heasleyの熱平衡・一次元均質流モデルに基づいて行った。システムの特性方程式が解析的に解けるように、通常ムダ時間要素で表現される入口流速に対する各種応答を一次遅れ要素によって表した。これは、近似表現ではあるが、特性方程式内で個々の要素を分離して表現できるため、不安定に対する支配因子の特定が容易となる。提案した簡易モデルについて、Ishii-Zuber安定マップ上で実験データと比較した。安定限界を示す実験データは、系圧力に大きく依存する結果となった。本モデルによる予測値は、二相流域の圧力損失に対する系圧力の影響を考慮することで、実験データをよく予想できた。また、システムの固有振動数は、二相流の通過時定数と密接に関係し、これもモデルでよく予測できた。

論文

Structural integrity of beam window of mercury target

粉川 広行; 石倉 修一*; 二川 正敏; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 7 Pages, 2003/04

大強度陽子加速器計画の下で設計が進められているMW級核破砕中性子源には、高密度の熱の除去等の観点から水銀ターゲットが用いられる。パルス陽子ビームが水銀ターゲットに入射すると、水銀の急激な熱膨張によって圧力波が発生し、その圧力波の伝ぱにより、SUS316L製の水銀ターゲット容器には、過大な動的応力が発生すると同時に、容器は変形して水銀中でキャビテーションを引き起こし、ターゲット容器の構造健全性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、水銀ターゲット容器、特にビーム窓の構造健全性を評価するために、1MWパルス陽子ビーム入射条件下での動的応力挙動を有限要素法によって解析した。半円筒状、及び平板状ビーム窓を持つ2種類のターゲット容器を解析モデルに用い、両者の結果を比較した結果、圧力波によってビーム窓で発生する動的応力が2次応力として取り扱うことが可能であり、平板状ビーム窓を持つターゲット容器が半円筒状ビーム窓のターゲット容器よりも構造的な観点から有利であるであることを明らかにした。

報告書

Off-line tests on pitting damage in mercury target

二川 正敏; 粉川 広行; Tsai, C.-C.*; 石倉 修一*; 池田 裕二郎

JAERI-Research 2003-005, 70 Pages, 2003/03

JAERI-Research-2003-005.pdf:12.08MB

世界的にMWクラスの核破砕中性子源ターゲットの開発が行われている。陽子ビーム入射時に核破砕に伴う瞬時発熱により水銀中に圧力波が発生する。圧力波の伝播過程で構造/液体水銀界面で負圧が生じ、キャビテーションの発生・崩壊によるピッチング損傷が容器構造体内壁に形成されると考えられる。ピッチング損傷はターゲット容器の寿命支配因子となることから、その発生条件,損傷形態,程度を評価し、設計に反映することが必要である。そこで、ピッチング損傷に関する2種類のOFF-LINE実験;ホプキンソン棒衝撃負荷実験(SHPB),電磁力衝撃負荷実験(MIMTM)、を実施した。1000万回に及ぶ衝撃負荷後の損傷形態に関するデータをMIMTMにより取得した。さらに、古典的音響振動法により得られた平均壊食深さの結果と比較した。その結果、壊食挙動は、一定の質量減少率を示す定常状態と定常状態に至るまでの潜伏期に大別でき、定常状態における質量減少は規格化統一線図により整理され、潜伏期間は材料特性,負荷圧力の大きさにより決定されることを明らかにした。

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。

報告書

シビアアクシデントの伝熱流動現象における素過程に関する研究; 粒子法を用いた蒸気爆発素過程の数値シミュレーション, 原子力基礎研究 H10-027-5 (委託研究)

越塚 誠一*; 池田 博和*; Liu, J.*; 岡 芳明*

JAERI-Tech 2002-013, 60 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-013.pdf:3.16MB

原子炉のシビアアクシデントにおいて、高温の溶融炉心が低温の冷却水と接触すると蒸気爆発を生じる可能性がある。そこで、蒸気爆発素過程の解明のため、溶融液滴を包む蒸気膜の崩壊時を模擬し、溶融すずの単一液滴に周囲から水ジェットが衝突する体系で粒子法による3次元シミュレーションを行った。シミュレーション結果では、溶融物がフィラメント状に液滴から飛び出してくる様子が捉えられた。これはCiccarelli-FrostのX線高速写真と非常によく一致している。ただし、X線写真に見られるような急激な細粒化が生じるためには、液滴接触時に自発核生成による高速沸騰が必要である。溶融炉心液滴の場合には、水ジェットが溶融液滴に接触する際に界面温度は溶融物の凝固点以下になるので、急激な細粒化は生じにくく、従って大規模な蒸気爆発も発生しにくいと考えられる。次に、蒸気爆発の圧力波伝播過程の1次元解析コードを開発した。熱的細粒化には液液接触時の自発核生成のモデルを採用した。本コードを用いて蒸気爆発における圧力波伝播の1次元テスト計算を行い、従来のコードによる計算結果とよく一致した。

論文

Stress waves due to deposited heat in mercury and lead spallation targets

菊地 賢司; 中島 宏; 石倉 修一*; 二川 正敏; 日野 竜太郎

Journal of the Physical Society of Japan, 37(2), p.113 - 119, 2000/02

従来の鉛系(鉛-ビスマス)を用いたターゲットより、原子数密度が高く、したがって中性子生産性も高い水銀ターゲットが近年注目されている。しかし、圧力波の観点からターゲットの特性を検討した例はこれまで見当たらない。そこで、核破砕ターゲットにより生じる熱衝撃が水銀ターゲットと鉛ターゲットの容器に及ぼす力学的な負荷を計算機シミュレーションにより評価し、比較した。その結果、熱衝撃により受ける力学負荷に大差は無く、この点から言えば、中性子生産性の高い水銀が有利と判断されると結論される。さらに、ターゲット内の熱発生密度分布関数、及び熱衝撃による脈動の周期がD/V(D:ターゲット直径,V:ターゲットの音速)で予測されることを示した。

論文

水銀ターゲット容器の核破砕熱衝撃に関する研究

菊地 賢司; 二川 正敏; 石倉 修一*; 粉川 広行

日本機械学会材料力学部門講演会(M&M '99)講演論文集, p.467 - 468, 1999/10

米国BNLの陽子シンクロトロン加速器で実施した第2回目の熱衝撃実験結果とその解析結果について報告してある。24GeVの陽子パルスを水銀ターゲットに入射し、発生した熱衝撃による容器の変形速度と圧力応答を測定することに成功した。変形速度応答により、第1回目の実験結果の再現性を確認できた。今回新たに設置した圧力計をうまく作動し、弾性たわみ測定方式の圧力プローブもうまく作動した。有限要素法を用いた計算の結果、水銀のカットオフ圧力を設定すると、ターゲットの動力学をうまくシミュレーションできることがわかった。

論文

Analyses on pressure wave propagation and dynamic stress in mercury targets

石倉 修一*; 神永 雅紀; 須々木 晃*; 日野 竜太郎; 原田 巌*; 神庭 公祐*; 坂下 元昭*

Proc. of 14th Meeting of the Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-14), 1, p.288 - 300, 1998/00

原研で計画している5MW水銀ターゲット成立性を明らかにするうえで、最大の課題である薄肉ターゲット容器の応力と内部に生ずる圧力波を解析した。その結果、矩形ビームを仮定した場合、最大応力170MPaがビーム窓中央で子午線方向の応力として生ずることを明らかにした。さらに、ビーム形状を矩形から放物線に変えると、子午線方向の応力は100MPaまで低減することを示し、ビーム形状がターゲット容器の成立性に大きな影響を及ぼすことを明らかにした。また、容器内で発生する圧力については、矩形ビームを仮定した場合ビーム窓中心で100MPa、円筒内面において60MPaの圧力が生ずることを明らかにし、構造的に成立可能な目処を得た。

論文

Solver with the differential algebraic cubic interpolated propagation scheme on massively parallel computer

内海 隆行*; 谷 啓二

Proc. on Parallel Algorithms/Architecture Synthesis, p.200 - 205, 1997/03

微分代数的CIP法(Differential Algebraic CIP;DA-CIP)は、矢部等により提案されたCIP法をLagrange的観点から検討し直し、CIP法の非移流フェーズ計算における空間差分計算を排除し、常微分方程式の数値積分法を適用することが出来る偏微分方程式の数値解析法である。このDA-CIP法では、Burlish-Stoer法や最適積分きざみ幅制御Runge-Kutta法のように数値的に系の時定数を推定する陽的数値積分法を用いることができるため、各格子点上の状態量の時間進展計算において近接した格子点の状態量が用いられるのみである。この計算局所性より、Paragonのような超並列計算機にSPMD(Single Program Multiple Data)モデルに基づいてDA-CIP法の解析コードを作成し、VPP500と同等の結果が得られることを示した。

論文

Molecular dynamics simulation of atomic beam bombardment in solid surface

江里 幸一郎*; 功刀 資彰

Microscale Thermophys. Eng., 1(2), p.137 - 142, 1997/00

異なる粒子(モノマー(3keV)、クラスター(32原子,100eV/atom))照射時の標的材料原子層の動的挙動を分子動力学法を用いて解析した。モノマー照射では標的原子層内に入射粒子が進入し、内部に高温域が形成された。2体相関関数の変化より入射粒子近傍の原子層は溶融し液体に近い構造になっているものと考えられる。また、クラスター照射では標的内原子表面にクレーターが形成され、その際、生じた高温高圧領域が原子層内部に伝播していく様子が観察された。その伝播速度は材料の内部の音速に近いことを示した。

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