マイクロバブルによる陽子線励起圧力波低減メカニズムの解明

2009 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20360090
• 研究機関: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 二川 正敏 独立行政法人日本原子力研究開発機構, J-PARCセンター物質生命科学ディビジョン中性子源セクション, 研究主席 (90354802)
• 研究分担者: 長谷川 勝一 独立行政法人日本原子力研究開発機構, J-PARCセンター物質生命科学ディビジョン中性子源セクション, 研究副主幹 (90391333) ; 金子 暁子 筑波大学, システム情報工学研究科, 講師 (40396940) ; 羽賀 勝洋 独立行政法人日本原子力研究開発機構, J-PARCセンター物質生命科学ディビジョン中性子源セクション, 研究副主幹 (20354730) ; 粉川 広行 独立行政法人日本原子力研究開発機構, J-PARCセンター物質生命科学ディビジョン中性子源セクション, 研究副主幹 (00354738) ; 井田 真人 独立行政法人日本原子力研究開発機構, J-PARCセンター物質生命科学ディビジョン中性子源セクション, 研究員 (60391356)
• キーワード: マイクロバブル / キャビテーション / 損傷 / 圧力波 / 水銀

研究概要

ガスマイクロバブルを注入することにより、核破砕中性子源の水銀標的内に生じる圧力波を低減するメカニズムを定量的に究明し、MW級核破砕中性子源の実現に対して大きな障壁となるピッティング損傷を低減するための、実用的な防護策を構築することを目的とした。本年度は、本研究2年目であり、昨年度に整備した各種試験装置、計測機器を用いて実験を開始した。4つの研究項目に対する当該年度の成果を示す。
1.マイクロバブル生成技術開発
筑波大学では、昨年度整備した水-空気系における気泡発生装置を用いて実験を開始した。液体流速、ガス/液体流量比による気泡サイズの変化について調査すると共に、気泡発生部の流路形状と圧力損失の関係を明らかにした。原子力機構では、昨年度整備したマイクロバブル発生装置を米国オークリッジ国立研究所が所有する実規模水銀ループに接続し、水銀-ヘリウム系におけるマイクロバブル生成実験を行い、マイクロバブル発生装置の実機適用性を確認した。
2.マイクロバブル群中における圧力波伝播
水中火花放電を利用した圧力波負荷実験により、マイクロバブルのサイズ、及びガス/液体流量比による圧力波抑制効果について調査し、1項に示したマイクロバブル発生装置を用いた際に、著しい圧力波抑制効果が得られることを実験的に確認した。次年度は、気泡含有率が不均一なマイクロバブル群に対する圧力波抑制効果を水実験及び数値解析により検証する。
3.マイクロバブル相互作用
数値解析により圧力波に対するマイクロバブル注入の効果について、水銀と水の類似性を評価し、水を用いた代替実験の有効性を明らかにした。
4.マイクロバブルと固液界面損傷
昨年度整備した疲労試験装置を用いて、気泡発生装置用の微細ガスノズルの疲労データの構築を開始した。次年度は、微細ガスノズルの寸法効果、及び水銀との共存性について検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Differences and similarity in the dynamics and absorption effect of gas microbubbles in liquid mercury and water (2010)
  • 著者名/発表者名: 井田真人
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 79 ページ: 044401-1-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] The solubility of Helium in Mercury as application of the spallation neutron source (2010)
  • 著者名/発表者名: 長谷川勝一
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 398 ページ: 189-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of tensile stress on cavitation damage formation in mercury (2010)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 398 ページ: 199-206
  • 査読あり
• [雑誌論文] オーステナイト系ステンレス鋼SUS316の水銀中曲げ疲労強度 (2010)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 雑誌名: 材料 59 ページ: 309-314
  • 査読あり
• [学会発表] Issues in estimating Bubble Distribution in mercury (2010)
  • 著者名/発表者名: 井田真人
  • 学会等名: The International Workshop on Pulsed Spallation Neutron Sources
  • 発表場所: いばらき量子ビーム研究センター(茨城県)
  • 年月日: 2010-11-10
• [学会発表] Comparison of bubbles' effects in mercury and water (2010)
  • 著者名/発表者名: 井田真人
  • 学会等名: The International Workshop on Pulsed Spallation Neutron Sources
  • 発表場所: いばらき量子ビーム研究センター(茨城県)
  • 年月日: 2010-11-10
• [学会発表] J-PARC水銀ターゲットの微小気泡注入モックアップ試験(1)微小気泡注入装置の開発 (2010)
  • 著者名/発表者名: 粉川広行
  • 学会等名: 日本原子力学会2010年春の年会
  • 発表場所: 茨城大学(茨城県)
  • 年月日: 2010-03-28
• [学会発表] J-PARC水銀ターゲットの微小気泡注入モックアップ試験(3)ターゲットモデル内の微小気泡分布 (2010)
  • 著者名/発表者名: 羽賀勝洋
  • 学会等名: 日本原子力学会2010年春の年会
  • 発表場所: 茨城大学(茨城県)
  • 年月日: 2010-03-28
• [学会発表] 水銀中気泡群と水中気泡群の類似性-水銀中圧力波抑制技術に関する水を用いた代替実験の可能性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 井田真人
  • 学会等名: 日本原子力学会2010年春の年会
  • 発表場所: 茨城大学(茨城県)
  • 年月日: 2010-03-28
• [学会発表] Experiences in early operatin at JSNS of J-PARC (2010)
  • 著者名/発表者名: 二川正敏
  • 学会等名: International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-XIX)
  • 発表場所: グリンデルワルト(スイス)
  • 年月日: 2010-03-11
• [学会発表] The effect of gas bubble injection for pressure wave mitigation in high-power neutron sources : differences and similarities between mercury and water (2010)
  • 著者名/発表者名: 井田真人
  • 学会等名: International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-XIX)
  • 発表場所: グリンデルワルト(スイス)
  • 年月日: 2010-03-09
• [学会発表] Development of bubble injection technique in JSNS mercury target (2010)
  • 著者名/発表者名: 粉川広行
  • 学会等名: International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-XIX)
  • 発表場所: グリンデルワルト(スイス)
  • 年月日: 2010-03-09
• [産業財産権] 液体金属ターゲット用旋回流型マイクロバブル発生装置および流体装置 (2010)
  • 発明者名: 阿部敏逹, 粉川広行, 二川正敏, 直江崇, 羽賀勝洋, 長谷川勝一
  • 権利者名: 筑波大学,日本原子力研究開発機構,(株)エール・オー
  • 産業財産権番号: 特願2010-015204
  • 出願年月日: 2010-01-27