陽子線励起圧力波による水銀中キャビテーションとその抑制手法に関する包括的研究

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23360088
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 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, 研究主席 (90354802)
• 研究分担者: 京藤 敏達 筑波大学, システム情報工学研究科(系), 教授 (80186345) ; 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, 研究主幹 (20354730) ; 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, 研究副主幹 (60391356) ; 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) ; 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) ; 涌井 隆 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 (50377214) ; 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) ; 沖田 浩平 日本大学, 生産工学部, 准教授 (20401135) ; 金子 暁子 筑波大学, システム情報工学研究科(系), 講師 (40396940)
• キーワード: 圧力波 / マイクロバブル / 水銀 / キャビテーション / 損傷

研究概要

水銀中にマイクロバブルを注入し、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、高出力化の障壁となるキャビテーションによる損傷を低減するための防護策を構築することを目的とした。本研究1年目における成果を研究項目ごとに示す。
【壁面近傍の流動気泡群分布】原子力機構では、旋回流型バブラーを複数製作し、羽根の角度や直径とバブルサイズの関係を水実験により調査し、形状の最適化を行った。筑波大学では、旋回流型に加えて、オリフィス型のバブラーを製作し、圧力損失の評価、及び生成気泡の形状、流速依存性について水実験で評価した。
【変動する弾性構造体と不均一気泡群との緩衝効果を加味した圧力波伝播に関する実験的・数値的評価】原子力機構では、実規模モデルを用いた水実験を開始し、気泡分布を測定すると共に、合泡の少ないバブラー配置について検討した。東大では、気泡半径に分布を持つ圧力波伝播解析コードを開発し、圧力波緩和効果の気泡条件依存性について、陽子線入射実験の体系で解析した。
【壁面近傍流れ場でのキャビテーション気泡の成長・崩壊挙動の詳細解析】原子力機構では、狭隘流路内にキャビテーション気泡を発生させるためのレーザー機器を整備し、流動条件と気泡の成長・崩壊挙動についての実験に着手した。茨大では、狭隘流路内でのキャビテーション気泡の挙動を評価するための解析コードを開発し、流路ギャップによる気泡挙動変化の解析を着手した。
【注入気泡条件と固体壁面損傷の相関評価】原子力機構では、米国中性子源との国際共同実験として、マイクロバブル発生器を備えた小型水銀ループを用いて陽子線入射実験を行い、気泡注入条件と圧力波励起振動、及び損傷との相関を評価し、気泡注入による損傷低減効果を確認した。産総研では、固液連成振動の実験条件を検討するために、水銀／ステンレス界面での超音波の伝播解析を実施した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

狭隘流路内でキャビテーション気泡を発生させるための装置開発が難航していたが、気泡発生に成功し、おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

水銀中へマイクロバブルを注入することによるの圧力波の抑制効果について、比較的長周期(ms)の圧力波に対しては、十分効果的であることを陽子線入射実験により確認した。しかしながら、マイクロ秒程度の圧力波に対する効果については、解析による予測に留まりまだ実験的に明らかにできていない。今後は、短周期の圧力波の低減効果に重点を置いた実験を行う。また、狭隘流路内でキャビテーション損傷が低減されることを実験的に確認した。可視化実験及び数値計算を通じて、実験結果を裏付けるような理論的考察を進める。

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: 二川 正敏
  • 雑誌名: Experimental Thermal and Fluid Science 巻: 35 ページ: 1177－1183
  • DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2011.04.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mitigation technologies for damage induced by pressure waves in high-power mercury spallation neutron sources (III) - Consideration of the effect of microbubbles on pressure wave propagation through a water test - (2011)
  • 著者名/発表者名: 直江 崇
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Science and Technology 巻: 48 ページ: 865-872
  • DOI: 10.1080/18811248.2011.9711771
  • 査読あり
• [学会発表] Multi-scale Analysis on Cavitation Damage and its Mitigation for the Spallation Neutron Source (2011)
  • 著者名/発表者名: 沖田 浩平
  • 学会等名: IV International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering
  • 発表場所: ギリシャ，コス島
  • 年月日: 20110620-20110622
• [学会発表] Mercury cavitation and its mitigation technique for high power pulse spallation neutron sources (2011)
  • 著者名/発表者名: 二川 正敏
  • 学会等名: WIMRC 3rd International Cavitation Forum 2011
  • 発表場所: 英国、ワーウィック大学
  • 年月日: 20110604-20110606
• [産業財産権] スタティックミキサー (2011)
  • 発明者名: 阿部達敏
  • 権利者名: 筑波大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2011-173892
  • 出願年月日: 2011-08-09