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ユーザ事例/水銀ターゲット容器

独立行政法人 日本原子力研究開発機構 J-PARC様  水銀ターゲット容器の流体解析

■ 背景

独立行政法人日本原子力研究開発機構様の大強度陽子加速器施設(J-PARC)様では、水銀ターゲット容器でパルス状の大強度陽子ビーム入射による容器内部を流れる水銀の体積膨張による圧力波でキャビテーションを誘発し容器壁面を壊食させる可能性が指摘されておりました。

■ 解決策(検討評価内容)

キャビテーション対策としてターゲット容器内の水銀流路の設計検討を行い、さらに水銀中へ微細な気泡を均一に分散させる為の気液混相流の解析を行い、気泡注入がターゲット壁面に及ぼす壊食対策及び冷却性能向上への影響を評価しました。

■ 解析結果

温度コンター図
水銀ターゲット固体部の温度コンター図

水銀ターゲット固体部の温度コンター図

粒子軌跡図
水銀中に注入したヘリウム気泡粒子の軌跡図

水銀中に注入したヘリウム気泡粒子の軌跡図(旋回流として流入したヘリウム気泡粒子の挙動を追跡)

■ 気泡合泡・分離解析

気泡分布図
気泡分布図

水銀(連続体相)+ヘリウム気泡(分散相) 気泡注入量0.1% 
ヘリウム気泡濃度分布の流下方向への変化(10等級で気泡径を分級し、離散ポピュレーションバランス法を適用。遠心力、浮力の効果により気泡分布に偏りが生じる)

Fluentには population balance model として3種類の計算方法が選択できる。

  • 離散ポピュレーションバランス法
  • 標準モーメント法
  • 求積モーメント法
上図は、粒径分布を直接計算する離散ポピュレーションバランス法を使い計算を行った結果です。

■ 今後の見通し

ターゲット容器の更なる流路検討と合わせて、気泡注入部の設計によりターゲット容器壁面の壊食対策及び冷却性能向上が図れると考えられます。

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