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

2010 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, 研究員 (90391333) ; 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) ; 直江 崇 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 (00469826) ; 金子 暁子 筑波大学, システム情報工学研究科, 講師 (40396940)
• 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、本研究最終年度であり、昨年度に整備した各種試験装置、計測機器を用いての実験を完了し、成果をまとめた。以下に4つの研究項目に対する当該年度までの成果を示す。
1.マイクロバブル生成技術開発
昨年度実施した実規模水銀流動試験装置での気泡生成実験の結果を踏まえ、実機水銀標的に実装可能なマイクロバブル生成装置を設計し、水での流動実験により気泡生成能力と圧力損失を評価した。
2.マイクロバブル群中における圧力波伝ぱ
昨年度実施した、水中火花放電を利用した圧力波負荷実験を継続し、圧力波伝ぱ挙動を高速度撮影により詳細に観察した。また、得られた実験結果に対して、気泡含有率と圧力波抑制効果の関係について数値解析的考察を加えた。
3.マイクロバブル相互作用
実験的に確認されたマイクロバブル注入による損傷低減効果について、圧力変化とキャビテーション気泡の発生に関する解析的考察を加えた。
4.マイクロバブルと固液界面損傷
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継続するとともに、微細ガスノズルの寸法効果、及び水銀との共存性を評価するための水銀中疲労試験を実施した。
本研究で明らかになった知見は、世界の中性子源開発研究者で大いに注目され、液体金属中性子源に関する損傷抑制技術の確立のために不可欠であるばかりでなく、キャビテーション損傷に関した学術的見解を深めることにも繋がった。本研究3年間により得た成果は、国際会議発表10件、学術誌投稿論文20件として公表された。

研究成果

• [雑誌論文] Dynamic responses of a solid wall in contact with a bubbly liquid excited by thermal shock loading (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Futakawa, T. Naoe
  • 雑誌名: Experimental Thermal and Fluid Science 巻: Vol.35 ページ: 1177-1183
  • DOI: DOI:10.1016/j.expthermflusci.2011.04.004
  • 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 (2011)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 雑誌名: 材料 巻: 59巻 ページ: 309-314
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantification of fatigue crack propagation of an austenitic stainless steel in mercury embrittlement (2011)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials
  • 査読あり
• [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 巻: Vol.79 ページ: 44401-1-44401-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distribution of microbubble sizes and behavior of large bubbles in mercury flow in a mockup target model of J-PARC (2010)
  • 著者名/発表者名: 羽賀勝洋
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Science and Technology 巻: Vol.47 ページ: 849-852
  • 査読あり
• [学会発表] 水銀液滴の衝撃力に及ぼす動的接触角の影響 (2010)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 学会等名: 日本機械学会第18回機械材料・加工技術講演会
  • 発表場所: 東京大学(東京都)
  • 年月日: 2010-11-27
• [学会発表] Fatigue crack propagation accelerated by mercury □immersion (2010)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 学会等名: The Tenth International Workshop on Spallation Materials Technology (IWSMT-10)
  • 発表場所: 中国・北京市
  • 年月日: 2010-10-19
• [学会発表] R&D status on cavitation damage in JSNS of J-PARC/MLF (2010)
  • 著者名/発表者名: 二川正敏
  • 学会等名: The Tenth International Workshop on Spallation Materials Technology (IWSMT-10)
  • 発表場所: 中国・北京市(招待講演)
  • 年月日: 2010-10-18
• [学会発表] 水銀キャビテーション気泡崩壊に励起される水銀中ソノルミネッセンス (2010)
  • 著者名/発表者名: 直江崇
  • 学会等名: 日本機械学会関東支部茨城講演会
  • 発表場所: 茨城大学(茨城県)
  • 年月日: 2010-08-27
• [学会発表] 水銀浸漬したオーステナイト系ステンレス細線の疲労強度評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富田博
  • 学会等名: 日本機械学会関東支部茨城講演会
  • 発表場所: 茨城大学(茨城県)
  • 年月日: 2010-08-27
• [学会発表] Impact pressure mitigation in mercury target for pulsed □spallation neutron sources (2010)
  • 著者名/発表者名: 二川正敏
  • 学会等名: 7th Internal Symposium on Impact Engineering (ISIE2010)
  • 発表場所: ポーランド・ワルシャワ
  • 年月日: 2010-06-05