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

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23360088
• 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) ; 沖田 浩平 日本大学, 生産工学部, 准教授 (20401135) ; 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) ; 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) ; 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) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• 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

研究実績の概要

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，中性子源の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．本研究最終年度にあたる今年度は，これまでに整備した各種実験装置を用い，マイクロバブルによる損傷低減効果の実証に向けた様々な実験的検討を継続すると共に，実験の指針を得ることを目的とした数値解析的検討を実施した．以下に当該年度までの成果を示す．
気泡含有率と圧力波抑制効果の関係について気泡径の分布を考慮した数値解析を実施し，弾性構造体と不均一気泡群中での圧力波伝ぱについて，陽子線入射実験の結果を数値解析的に考察した．
狭隘流路内のキャビテーションついて，流路幅や圧力波の強度と損傷との相関を実験及び数値解析により明らかにすると共に，損傷を低減するための付加機能として実装するための検討を実施した．
キャビテーション損傷だけでなく圧力波に起因する疲労損傷の観点からも気泡注入が有効であることを実機の振動計測及び数値解析により確認すると共に，標的の長寿命化を視野に入れ，超高サイクルの繰返し応力負荷に対する耐久性について疲労データを蓄積した．
本研究で明らかになった知見は，世界の中性子源開発者の間で大いに注目され，液体金属中性子源に関する損傷抑制技術を確立しただけでなく，液体中の圧力波伝ぱ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15件，学術誌投稿論文11件として公表された．また，本研究に係る成果である液体金属中の圧力波抑制技術は，平成26年度機会学会賞（技術）を受賞した．

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Mechanical property change in the region of very high-cycle fatigue (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Xiong, T. Naoe, T. Wan, M. Futakawa, K. Maekawa
  • 雑誌名: Procedia Engineering 巻: 101 ページ: 552-560
  • DOI: 10.1016/j.proeng.2015.02.066
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of microbubble generator for suppression of pressure waves in mercury target of spallation source (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kogawa, T. Naoe, H. Kyotoh, K. Haga, H. Kinoshita, M. Futakawa
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Science and Technology 巻: 52 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1080/00223131.2015.1009188
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Material issues relating to high power spallation neutron sources (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Futakawa
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 巻: 74 ページ: 012001-1-7
  • DOI: 10.1088/1757-899X/74/1/012001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cavitation erosion induced by proton beam bombarding mercury target for high-power spallation neutron source (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Futakawa, T. Naoe, H. Kogawa, K. Haga, K. Okita
  • 雑誌名: Experimental Thermal and Fluid Science 巻: 57 ページ: 365-370
  • DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2014.05.014
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental and numerical investigations of liquid mercury droplet impacts (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Naoe, R. Kenny, M. Futakawa, M. Otsuki
  • 雑誌名: Journal of Fluid Scienence and Technology 巻: 9 ページ: jfst0002-1-12
  • DOI: 10.1299/jfst.2014jfst0002
  • 査読あり
• [雑誌論文] 静止水銀中の狭隘部における圧力波誘起キャビテーション損傷 (2014)
  • 著者名/発表者名: 直江 崇，二川正敏
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 80 ページ: fe0025-1-12
  • DOI: 10.1299/transjsme.2014fe0025
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Very high cycle fatigue in pulsed high power spallation neutron source (2014)
  • 著者名/発表者名: Z. Xiong, M. Futakawa, T. Naoe, K. Maekawa
  • 雑誌名: Applied Mechanics and Materials 巻: 891-892 ページ: 536-541
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.536
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamic behavior of liquid mercury droplets colliding with a solid surface (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Naoe, M. Futakawa
  • 雑誌名: Applied Mechanics and Materials 巻: 891-892 ページ: 391-396
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.566.391
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Damage evaluation by impulsive response in structure filled with liquid (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Wan, T. Naoe, T. Wakui, M. Futakawa, K. Maekawa
  • 雑誌名: Applied Mechanics and Materials 巻: 891-892 ページ: 629-636
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.566.629
  • 査読あり
• [雑誌論文] Small Gas Bubble Experiment for Mitigation of Cavitation Damage and Pressure Waves in Short-pulse Mercury Spallation Targets (2014)
  • 著者名/発表者名: B. W. Riemer, M. W. Wendel, D. K. Felde, R. L. Sangrey, A. Abdou, D. L. West, T. J. Shea, S. Hasegawa, H. Kogawa, T. Naoe, C. H. Farny, A. L. Kaminsky
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 450 ページ: 192-203
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.10.011
  • 査読あり
• [学会発表] Mechanical property change in the region of very high-cycle fatigue (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Xiong, T. Naoe, T. Wan, M. Futakawa, K. Maekawa
  • 学会等名: 3rd International Conference on Material and Component Performance under Variable Amplitude Loading (VAL2015)
  • 発表場所: Prague, Czech Republic
  • 年月日: 2015-03-23 – 2015-03-26
• [学会発表] 1MWへ向けた水銀ターゲットシステムの取り組み (2015)
  • 著者名/発表者名: 羽賀勝洋，直江崇，涌井隆，粉川広行，甲斐哲也，木下秀孝，高田弘
  • 学会等名: 第3回物質構造科学研究所サイエンスフェスタ; 第6回MLFシンポジウム/第32回PFシンポジウム
  • 発表場所: 茨城県つくば市
  • 年月日: 2015-03-17 – 2015-03-18
• [学会発表] Effect of gas microbubbles on pressure wave mitigation in the JSNS mercury target (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Naoe, H. Kogawa, T. Wakui, K. Haga, M. Teshigawara, S. Meigo, H. Kinoshita, M. Futakawa, H. Takada
  • 学会等名: The 12th International Workshop on Spallation Materials Technology (IWSMT-12)
  • 発表場所: Bregenz, Austria
  • 年月日: 2014-10-19 – 2014-10-23
• [学会発表] Very high-cycle fatigue behavior of the mercury target vessel for the spallation neutron source (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Naoe, Z. Xiong, M. Futakawa
  • 学会等名: The 12th International Workshop on Spallation Materials Technology (IWSMT-12)
  • 発表場所: Bregenz, Austria
  • 年月日: 2014-10-19 – 2014-10-23
• [学会発表] In-situ structural integrity evaluation for high-power pulsed spallation neutron source -Effect of cavitaion damage on strutural vibration- (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Wan, T. Naoe, M. Futakawa
  • 学会等名: The 12th International Workshop on Spallation Materials Technology (IWSMT-12)
  • 発表場所: Bregenz, Austria
  • 年月日: 2014-10-19 – 2014-10-23
• [学会発表] Very high-cycle fatigue behavior in mercury target vessel for high-power pulsed spallation neutron source (2014)
  • 著者名/発表者名: Z. Xiong, T. Naoe, M. Futakawa, T. Wakui, H. Kogawa, K. Haga, K. Maekawa
  • 学会等名: 21st International Collaboration on Advanced Neutron Source (ICANS-21)
  • 発表場所: 茨城県水戸市
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-10-03
• [学会発表] Thermal hydraulic design of double-walled mercury target vessel (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Haga, T. Naoe, T. Wakui, H. Kogawa, H. Kinoshita, M. Futakawa
  • 学会等名: 21st International Collaboration on Advanced Neutron Source (ICANS-21)
  • 発表場所: 茨城県水戸市
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-10-03
• [学会発表] オーステナイト系ステンレス鋼の超高サイクル疲労による力学特性変化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 熊志紅，直江崇，二川正敏，前川克廣
  • 学会等名: 日本機械学会東北支部第50期秋期講演会
  • 発表場所: 宮城県多賀城市
  • 年月日: 2014-09-05 – 2014-09-05
• [学会発表] 狭隘流路中の気泡崩壊によるジェット噴出に及ぼす壁面距離の影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 直江崇，万涛，粉川広行．二川正敏
  • 学会等名: 日本機械学会東北支部第50期秋期講演会
  • 発表場所: 宮城県多賀城市
  • 年月日: 2014-09-04 – 2014-09-05
• [学会発表] Development of the techniques to mitigate the cavitation damages in the J-PARC mercury target (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Haga, H. Kogawa, T. Naoe, T. Wakui, M. Futakawa, H. Takada
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Science at J-PARC (J-PARC 2014)
  • 発表場所: 茨城県つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [学会発表] Targetry overview (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Futakawa
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Science at J-PARC (J-PARC 2014)
  • 発表場所: 茨城県つくば市
  • 年月日: 2014-07-12 – 2014-07-15
• [学会発表] Analytical study of thermal hydraulics for design of double-walled mercury target vessel (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Haga, H. Kogawa, T. Wakui, T. Naoe, M. Futakawa
  • 学会等名: The 5th High Power Targetry Workshop
  • 発表場所: Illinois, USA
  • 年月日: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [学会発表] Material issues relating to high power spallation neutron sources (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Futakawa
  • 学会等名: Advanced Materials for Demanding Applications
  • 発表場所: St Asaph, UK
  • 年月日: 2014-04-07 – 2014-04-09
  • 招待講演
• [学会発表] Study on high-strain-rate tensile fatigue properties of irradiation hardening simulated austenitic stainless steel (2013)
  • 著者名/発表者名: Z. Xiong, T.Naoe, M. Futakawa, K. Maekawa
  • 学会等名: 日本機械学会第21回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2013)
  • 発表場所: 東京都八王子市
  • 年月日: 2013-11-08 – 2013-11-10