MIMTM を用いた水銀キャビテーションによる金属の壊食損傷構造義 家 敏 正1)

二 川 正 敏1) 直 江佐 藤 紘 一2)徐.

は じめ)
3

小 松 正 雄川 合 將 義
に大強度陽子加速器研究施設群， J PARC の物質生命科学崇2)

.


MIMTM 実験装置の概要

装置の構造実験施設( MLF )及び米国オークリッジ国立研究所核破砕中

図に MIMTM 実験装置とその断面図を示す．水銀を充性子源(SNS)には，水銀を標的に用いたパルス核破砕中性子

填する容器の直径及び高さはそれぞれ 100 mm, 15 mm であ源が設置されている(1)(2)．大強度の陽子線が水銀標的(ターる．容器底部に固定したアルミ合金製のストライカーを，電ゲット)に入射すると，核破砕反応による中性子の発生と共磁力により振動させることで水銀中に衝撃圧力を負荷する．に，熱衝撃に伴う圧力波が発生する(3)．この圧力波が水銀中電磁コイルへ負荷するパワーを変化させることで衝撃圧を制からターゲット容器へ伝ぱする過程で，水銀とステンレス鋼御できる(9)．水銀容器内の圧力変化を計測するために，容器製の容器の界面では負圧が発生する．この負圧によって水銀上部に圧力計が設置されている．水銀と容器内壁の界面，即中にはキャビテーションが発生し，キャビテーション気泡のち，底板，上部，側面にピッティング損傷が形成される．

崩壊時に発生するマイクロジェットと衝撃圧により，容器にMIMTM のパワー 560 W で観測されたピッティング損傷の微小ピット群からなるエロージョン面が形成される(4)(8) ．

形態は， MW 級の陽子線入射実験で観測された損傷と凡そMLF に陽子ビームは 25 Hz で入射する．従って，キャビテ等価である(9) ．衝撃圧の繰り返し周期は， J PARC の水銀ーションによる損傷(ピッティング損傷)は水銀ターゲット容ターゲットに入射する陽子ビームと同じ 25 Hz である．

器の寿命を決定する上で重要な因子となる． Futakawa ら
は，水銀中でのピッティング損傷を系統的に評価するため



気泡の観察結果に，電磁力駆動の衝撃圧負荷試験装置 MIMTM ( electro 

水銀中の圧力変化に伴う気泡挙動を観察するために，水銀Magnetic IMpact Testing Machine)を開発した(9)．本稿では容器上部に q50 mm のガラス窓を設け，容器壁面で発生しMIMTM を用いた材料の損傷構造研究の一端について紹介

た気泡の動的挙動を高速度ビデオカメラ(20000 frames/s)にする．

より撮影した(10)．図に観測された気泡と圧力及び振動加速度の時刻歴応答を示す．図中の時刻 0 は，電磁コイルへの電圧を印加した時刻，即ち撮影と波形収集のトリガー時刻である．圧力は－0.12 MPa まで低下し，0.4 ms から 1.5 ms

京都大学原子炉実験所1)研究員 2)助教 3)准教授(〒5900494 大阪府泉南郡熊取町朝代西 2 丁目1010)
日本原子力研究開発機構1)研究主席 2)研究員
広島工業大学教授
高エネルギー加速器研究機構名誉教授
Pitting Damage in Metals by Mercury Cavitation with MIMTM; Toshimasa Yoshiie, Masatoshi Futakawa, Takashi Naoe, Masao
Komatsu, Koichi Sato, Qui Xuand Masayoshi Kawai(Research Reactor Institute, Kyoto University, Sennan-gun, Osaka. Japan Atomic Energy Agency, Ibaraki. Hiroshima Institute of Technology, Hiroshima. High Energy Accelerator Research Organization, Tsukuba)
Keywords: Hg cavitation, pitting damage, highspeed deformation, spallation material, nickel, SUS304
2013年 1 月15日受理[doi:10.2320/materia.52.390]



最近の研究

の間は－ 0.12 MPa でほぼ一定値を示し，その後急激に上昇する．振動加速度は， 1.4 ms までは水銀容器下部に固定し

マイクロジェット

たストライカーの振動であるが， 1.4 ms 後では，ストライキャビテーション気泡の崩壊挙動は，ピッティング損傷をカーの振動に 15 kHz 以上の高周波数成分が重畳している．

形成する衝撃力を定量的に評価する上で重要である．一般的

また，気泡は 0.4 ms 前後に出現し，0.4 ms から 1.5 ms の間に，衝撃波とマイクロジェットの衝突がピッティング損傷形で急激に膨張し， 1.5 ms 後に急激に収縮する．これらの結成に大きな影響を与えることが知られている．水銀中でのキ果より，キャビテーション気泡が負圧下で形成され，正圧にャビテーションでは，水と比較して密度が非常に大きいため戻ったときに崩壊し高周波数の振動を誘発することが分かる．に，衝撃波よりもマイクロジェットの衝突が損傷形成の支配因子である．Futakawa らは高速度ビデオカメラによりマイクロジェットが壁面衝突後に飛散する様子を克明に観察し，数値計算結果と比較検討することにより， MIMTM の 560
W で生じたマイクロジェットの衝突速度は 200 ～ 300 m / sであると予測した(11)．

.


水銀キャビテーションによる金属の壊食損傷構造
Ni の衝撃試験による損傷構造

ピッティング損傷により材料に導入される欠陥構造を調べるために， MIMTM を用いて， Ni と SUS304SS の衝撃試
験と構造観察を行った．水銀マイクロジェットの衝突速度を200～300 m /s とすると，ピットの形成は高速変形による損傷と考えられるので，同じ試料の高速圧縮変形の結果と比較した(12)．
衝撃試験は MIMTM を用いて 560 W, 25 Hz で水銀に繰り返し衝撃を与えることにより，水銀と容器の界面に張り付けた試料にピッティング損傷を与えた．試料は純度 99.99の Ni と SUS304SS で，q3 mm，厚さ 0.1 mm のディスクを用いた．高速圧縮変形には，高速の重錘を材料に当てて変形させる高速圧縮変形装置を用いた(13) ．図に示すように高速の重錘をストッパ付きの試料に当てて変形させるものである．試料の損傷後，透過型電子顕微鏡観察と陽電子消滅寿命測定を行った．
図1

MIMTM 実験装置．(a) 装置本体の写真，(b) 装置の断面図．

図2

Ni の 1000回の衝撃試験後の表面構造を図に示す．浅いピットと深いピットが観察される．衝撃の回数が増すと浅い気泡の成長，圧力，振動加速度の時刻歴応答(MIMTM のパワー 560 W)．

ま て り あ 第52巻 第 8 号(2013)
Materia Japanピットの密度が増加しより深いピットが形成することから，衝撃試験では欠陥が試料の厚さ 0.1 mm の反対面近くまで生浅いピットは 1 つの衝撃で，深いピットは複数の衝撃の重成していることが分かる．

畳によることが分かる．水銀マイクロジェットの衝突による透過型電子顕微鏡観察では，図(a), (b)の模式図に示す

ピット形成については，数値解析もなされている(14)．更にように試料の衝撃の裏側から研磨して，小さな穴が開いた直繰り返しが増加すると，表面層がはく離する(15)．

後に研磨を中止し(図 5(c))，穴の周辺や(図 5(d))穴の開く

表は MIMTM で衝撃試験をした試料を水銀中から取り直前(図 5( e ))の部分を観察することにより，衝撃面に形成出して，陽電子消滅寿命測定を行った結果である．消滅寿命されたピット近傍の欠陥構造を調べた．ピッティング損傷にが短寿命と長寿命の 2 成分に分解できる場合，短寿命はマより導入された転位は一様に分布していた．

トリックス中での陽電子の消滅，長寿命は欠陥での消滅を示し，その寿命値から欠陥の同定が可能である(16)．Ni の1000

高速圧縮変形との比較

回の衝撃後の長寿命は，転位や積層欠陥四面体の存在を示

比較のために高速圧縮変形装置による圧縮変形を行った．

す(17)．一方 2000 回の衝撃後は，原子空孔(寿命～ 170 ps )の変形速度が低いと転位が多い場所と少ない場所に別れるセル存在を示す長寿命となった．これは衝撃により塑性変形が進構造になるが，速度が高くなるとセルの間隔が狭くなり，一み原子空孔が生成したためである．

様な転位分布となることが知られている(13)．

以上の陽電子消滅寿命測定は，試料の衝撃面から行った．

図は 100 m/s の重錘の衝撃を受けた Ni である．多少の試料の衝撃面の反対面から陽電子消滅寿命を測定すると表 1セル構造が見られる．高速圧縮変形の結果(図 6)と中の Niに示すように，衝撃面からの測定とほぼ同じ結果に

MIMTM による損傷構造(図 5 )を比較すると，後者はセルなった．欠陥の多い試料では陽電子の拡散距離が短く，表面構造でないので非常に速い変形，100 m/s の重錘の衝撃によから深さ～ 10 mm 程度にある欠陥も検出できることから，る変形よりも遥かに速い変形を受けていることが示唆される．従って，水銀ジェットの速度の予測値 200～300 m/s が欠陥構造からみても妥当であると結論できる．
SUS304SS の場合も Ni と同様， MIMTM による損傷では一様に分布した転位構造と共に多数のツインが観察され

表1

図3

図4




高速圧縮変形装置．

MIMTM による衝撃試験後の Ni における陽電子消滅寿命．試料の後ろの括弧内の数字は衝撃回数．Niは衝撃の裏面より測定．

試 料

平均寿命

短寿命

長寿命

長寿命強度

Ni(1000)
Ni(2000)Ni(2000)(psec)
125.6±0.4131.6±0.5133.3±0.4(psec)
79.2±12.4
100.2±14.5
99.3±9.3(psec)
143.9±6.9160.7±16.6
168.3±11.1()54.1±8.3
38.9±17.6
38.2±10.1

MIMTM による衝撃試験前後の Ni における表面構造の変化．衝撃1000回，560 W, 25 Hz.

最近の研究た．図は SUS304SS のピッティング損傷後の断面透過型

.

電子顕微鏡観察の結果である．高速圧縮変形による変形構造

おわりにである図と比較すると，ツイン組織には大きな差が無いが転位密度は MIMTM による損傷構造の方が高く，ピッティ

水銀中への陽子線照射により，水銀ターゲット容器内面にング損傷ではやはり非常に速い変形を受けていると結論され生成するピッティング損傷は，現在既に稼働している施設のる．

運転安全性に関わる重要な課題である．そのため容器材料開発も行われた．即ち，水銀中のキャビテーションによる損傷形成を低減するために，材料表面を硬化することでマイクロジェットによる局所変形が緩和すること，或いは多層膜化することで局所衝撃波の伝ぱ挙動を変化させてある程度損傷を低減できることが， MIMTM を用いたキャビテーション損傷試験により明らかになっている(14)(18)(19) ．しかし，水銀ターゲット容器の設計で定められた寿命は，延性が確保できる照射量という点から 1 MW の運転で陽子線入射回数にして約 2 億回とされており，現在のところこの条件を満足する損傷抑制効果が材料改質では得られていない．
そこで水銀ターゲット容器の長寿命化を図るために，容器材料に負荷される荷重を軽減させるといった観点からの容器

図5

MIMTM による 1000 回の衝撃試験後の Ni の表面構造(560 W, 25 Hz)．(a) ディスク試料と衝撃の模式図，(b) 裏面研磨，(c) 研磨により形成された穴，(d) 穴の周辺，(e) 穴が出来る直前，の透過型電子顕微鏡観察結果．

図7

図6

重錘速度 100 m/sec で高速変形した Ni の損傷構造．

MIMTM による衝撃試験後の SUS304SS における損傷構造(560 W, 25 Hz，断面観察)．

ま て り あ 第52巻 第 8 号(2013)
Materia Japan図8SUS304SS の高速変形による損傷構造．(a) 損傷前，(b) 重錘速度 50 m/sec，(c) 重錘速度 100 m/sec.

構造の改良が試みられている．微細なバブルを外部から強制的に導入して柔らかい水銀に変質させることで，陽子線入射時に励起した圧力波を抑制させる方法である．これは福島の震災後に更新した JPARC の水銀ターゲット容器に応用され，非常に良好な結果が得られている．
以上のことは，大型機器に使用される材料の長寿命化が，材料研究ばかりに留まらず，工学設計と協力して行うことが必要不可欠であることを示している．

文

献( 1 ) S. Nagamiya: Neutron News, 16(2005), 1619.
( 2 ) Y. Ikeda: Neutron News, 16(2005), 2022.
( 3 ) M. Futakawa, K. Kikuchi, H. Conrad and H. Stechemesser:
Nucl. Inst. Meth. Phys. Res., A439(2000), 17.
( 4 ) M. Futakawa, H. Kogawa and R. Hino: J. Phys. IV, Proc., 10(PR9) (2000), 237242.
( 5 ) M. Futakawa, H. Kogawa, R. Hino, H. Date and H. Takeishi:
Int. J. Impact Eng., 28(2003), 123135.
( 6 ) J. R. Haines, K. Farrell, J. D. Hunn, D. C. Lousteau, L. K.
Mansur, T. J. McManamy, S. J. Pawel and B. W. Riemer:
Summary of mercury target pitting issue, SNS101060100
TR0004 (2002).
( 7 ) M. Futakawa, T. Naoe, C. C. Tsai, H. Kogawa, S. Ishikura, Y.
Ikeda, H. Soyama and H. Date: J. Nucl. Mater., 343(2005),
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( 8 ) M. Futakawa, T. Wakui, H. Kogawa and Y. Ikeda: Nucl. Inst.
Meth. Phys. Res., A562(2006), 676679.
( 9 ) M. Futakawa, T. Naoe, H. Kogawa, C. C. Tsai and Y. Ikeda: J.
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( 10 ) 直江 崇，二川正敏，小川智史，粉川広行日本実験力学会
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(12) T. Yoshiie, K. Sato and Q. Xu, M. Komatsu, M. Futakawa, T.
Naoe and M. Kawai: J. Nucl. Mater., 398(2010), 227231.
(13) M. Kiritani, T. Sota, T. Tawara, H. Arimura, K. Yasunaga, Y.
Matsukawa and M. Komatsu: Rad. Eff. Def. Sol., 157(2002),
5374.

(14) M. Kawai, M. Futakawa, T. Naoe, T. Yamamura and T.
Igarashi: J. Nucl. Mater., 398(2010), 193198.
(15) T. Wakui, T. Naoe, H. Kogawa and M. Futakawa: Nucl. Instr.
Meth. Phys. Res., A600(2006), 150153.
(16) 永井康介，長谷川雅幸まてりあ，44(2005), 667673.
(17) E. Kuramoto, T. Tsutsumi, K. Ueno, M. Ohmura and Y.
Kamimura: Comp. Mater. Sci., 14(1999), 28.
(18) 直江 崇，大井俊志，粉川広行，涌井 隆，二川正敏材料，57(2008), 159166.
(19) T. Naoe, M. Futakawa, T. Shoubu, T. Wakui, H. Kogawa, H.
Takeuchi and M. Kawai: J. Nucl. Sci. Technol., 45(2008),698703.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1973年 大阪大学大学院基礎工学研究科博士課程修了
1987年 4 月 北海道大学助教授
1992年12月 京都大学原子炉実験所教授
2013年 3 月 京都大学定年退職
専門分野格子欠陥，材料照射損傷◎最近は加速器駆動未臨界炉開発を目的とした高エネルギー陽子による照射効果の研究に従事．

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義家敏正

二川正敏

直江佐藤紘一徐崇

小松正雄

川合將義

最近の研究