ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury...

43
ESS Bilbao Initiative Workshop Multi-MW Spallation Neutron Sources: Current Challenges and Future Prospects March 16-18, 2009 Bilbao, Spain

description

R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

Transcript of ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury...

Page 1: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

����������� � ��� ��������� ��� ��������� ����������������������������

�������������

�� � �� � � �� ���� �� ��� � ����� �� ��� �� � ��

� � � ��� ��� ��� �� ��� ��� � � � �

ESS Bilbao Initiative WorkshopMulti-MW Spallation Neutron Sources:Current Challenges and Future ProspectsMarch 16-18, 2009Bilbao, Spain

Page 2: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

2 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

����������������� ����

• � �� ���������������� � � � ����� ��� ��� ��� �� ������ ��� ���� !��"# �� ��� ��� ���

• $%��� ���� !�& � �� ������� ��� �� � �� ��� ��� �� � � �

• '������ ����� � �� �� ����������� ��� � �� �� �# � ���� � �� ���� � ���" � � ��� ��� �� � �

– � �� ( �� ��� �� ���# ��� ������� � �� �� ������� �� ��� �� � �

• ) � ���� ��� # ����* � �� �� ���� �������� �� �������� �� ���� ��!� ���� ��� ����� ����� � � ���� ���� �� ���� ��������� � � �

Page 3: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

3 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

����������������� ����

Target-to-Hg piping seal

Water shroud

Mercury vessel

Target-to-core vessel inflatable seal

Page 4: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

4 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

��� ��� ����������������������������������������������������� ��������������������������������� !�"�µ�#������������������� ���� ��������������� �� ���������

• � ��� � � ��* � �� �� � �� ���� �� �� ��� � �� � �� � ������� � ��� ���� � �� �� � ������ �� � ���� � �������� ��� �� ����� �� ��� ��� ��� �����

– + �� ��!� ����������� !!����# ����� ��, �� � �� �� �- �$�� � �������� � ����# � �� ��

– ) � ����# � ��� ���!�� ��� ��� ���������� �� ���� � ������

– ) � ��� # � �� ��� ���� ��� �. /0 �) �� �� ��0 �

200 WNR pulses on test target

Page 5: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

5 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

• /�� ( ������ � �� �� � ����� ��� ������ ����& � �!� ��� ����� ���� � ����1 ���� . 2���3

– /�� ( ����� ��� �� ������������ ��� �- �4�5 �!� ��� ����� ���� � ���6�# � ���� ���� !����������%4 5 2�7

���������������������$�%&'�µ���������������������������������������� �����������������������������������

� � ������� ����� � � �� �8 � ���� ���� � �� ��9�

� �� ����# � � � ���# �� ��� �� � ����� �������

: : ��������; � ���� �!� ����� � �� ��� �� � � ��

� ��� ����< ��2��� � �� ��� ��� �- ��%�µµµµ�

� � � � ��� ����� ������������= � /� �8�= %�� ���

� �� � ��� ��� ���� �� �� ����� ���� !���� ��79

* SNS @ 2 MW

Page 6: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

6 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

����� ���� � ��� ������������$

• � �� ���� � ��# � # # �����>� ��� � � ��� # �� �# ��� �������� ��� ����� ���� � ���6��� � � ����� � � ��� �� �� � �� 6�� �� �2�� ��� ����� � ���� ����� ���� � � ��� �� � � � � ��� �

– ? � �� ���!�� ��� ��� !� � @�%@A B

– �� # # ���� �� ������� � @ �%%�µµµµ��8( �� ��� � � �� !������ � � 9

• /�� �� ��� ��� � ��� � ��� � � �� ���� �� ����� ��� ������!�� ���� ��� � �� � ��� ��!!� ���� !� � � ��� ��� ��# � # # ��� � ��� � ��

� �� ���� �������� ����� ���� �� ��� �!� ��� �� �� ���� ����� ������� � ��� ���� ��� ��� � �� � ���� � # � ��� ��� � � ���# � ��� � � ��������� �� � ������ ���� �� ���� ��� ����!��

� �� �� � � ��� � � � ��� �� !��� ��� �����

Page 7: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

7 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

( ��� ����)������ ��$����� ��� ���) �� ��� ��* +� �������������

• ) � � ��� ��� ��� � �� � ��� � ���� ��� � ��"� � ����# �� ��� �� � ����� ��� � ��!������ # ���� �� ����'� , � � C ��� �������� � ��� �� ����8� ����� 6��D D A 9

• � � � � � � ��� ��� ����� ��� ����� � ����� ���� �� ��� ���� �� �� �� � ����� � � �� �� � �� � ��� ��� ���� � �� �� � ���� � �� � ������ � ��� ��� �� � ����85 � ��6��D D = 9

– E � ��� ��� � � ��� ������� ������ �������� �������� ��� �� !��� ��� � ���� �� �!!������� ����� ���� �� �!��; � �� � ���� ����� � �� � ��� ��� �� � � � � �� ���� ��

– F � � � �� �� �� �� ��� �� ��� !���� ��� ���� ���� ��E � �� � ���� � � ���� �@������ ��!� ��� � ���

• '��$%%%6������ � � ����� ���� ��. � � � ��0 �� �� �C ���� � ������ � � �'������ ���8. 0 C �'9�� # ���� �� �� ������ �� !���� ��������������� �!� ����� � ��� ������� � ��� ��� ��� ���� � �� ��� # >� ��� ��� ������������ ��� � �� �� ����� ���� � ������ !��� ���� ����� � ���� � ��* ������������ ������ � � �2�. � � �

• '�"# �� ��* �� !!"������������ ����� ��!� ���� ����$%%��� �� �$%%$��� �� � ������� ������ �

– ���� ��������������������������������������������������������������������������������

– ��������������������������������������������������� ������ �����

Page 8: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

8 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

, �������������� ������������������������

• , ��� ��� ���� �� ���� � ��# ����� � ��� ��� �� �� � @�4%%�( G �� �� ���� � �� �A �� � � 6��� �� ����� � ���� ���� � � �� ��� � ���

– & � � � � ���� � ��# ��� ��� �� ����� ��� ���� ���� �� ��� �� ��� ��� � � ���∝∝∝∝ /H�I

• ��������������������� ��������������@� � ���� �� ��� ��� ��!� �� ���� ���� � �� !�# �� ��� � � ��J��� �� ����� ����� �6�� �� ����� 6�# �� ��� �� !���6���� � �� �!�� � � � �� ���� ��6�# �� ����� ������ ���� ��

• � ������ �� �� !��� ���� � # � ��� ��� � � ���� !� � � ��� ��� ��� � �� � ������ �( �� � �

• G ������ ��� �# ��� ��� � ��� �� ��� � � ����� ��� ������ ��@H� G �8� �� �# �� � �� 9���� � �� ��� ��!���� ��� ���� ���� � ������( ��/H

Page 9: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

9 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

���������������������

• '�"� �� �� �"# �� ����� � �� ��� �� ���� � ��������

• , !!"������ � ������������ �� � ��� �� �!� ���� � � �� � ������ � �� �������� � �

• K � �"��� � �� � � �� � �� ��� �� ��!�� �� �� � �� �� ������ �� ��� ��

• ) �� ��� � ��� # � �� ��� ��� ��� �. 0 C 0 �2�. � � � ��� �� ������ �

Page 10: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

10 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

-�.�����.������/�� ������ ������*0���1� *���0��������������� ����������#

• � � � ���� � �� ��� �� ���� � ���������� � ���# � ( ��� ��D D 4�8& � �����* � �� �9

– '�� ����� � ��� ������� ��� �� ���� ���������� �� �� ��� � �� �� ����� � ������ ��� � ���# �� ��� � ����

– '�� ������� ��� ��� !�!�# ���� � �� ����� ���� � � � ������ ��� �# � � � �� !�� � �� � ���� � ��!� ������ �� �� ��� � �� �� ����� �� ��� ��# �� � �� �( �

• C �� � � ����� �� � � ��� ��� ��� � �� � ����� ��$%%�

Page 11: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

11 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

-�.�������� ��� ����/�� ���������*0���1., ��

• � � �� � ��� ���!� � ��� ����������. � �� �$%%�

• ������ � ������� � ��# ���� !�$%%�����. � ���� !�$%%$� � ����# � ��� ��� ��� ��� � � �� � ���� ���� �( ��� ���� � �� ��� �� ��J��� �� ���� �� ����� 6��� ����� ��6��� �!� ������ �����6�# �� �����������

• $%%A �� � ������������ � ��� �� � �� � ��� ��� �!�� � 6�# � # # �����>� ��� ��� �� �� �� �� �����������

• $%%� �� � ��������� ��� 0 � � ) C �� �� �� ���� � �� � �� � � � J�� ��� � ��< �� �� � ��# � # # �������!�� � ��� �& �

• $%%= �G � ��� � ����������� ����� � ��� �� � �� � ��� � ����� # ����� �� !� � � ���� � � � �����!�� �� ���� !�� � � ��� �� ��L�� �� �� � �� � ��� �� ��� �� ��� ��� �� �� �����������

Page 12: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

12 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

, �������������������&�������2���

• ) � �� � �� # ������������ ��� �� � � �* �. � � �

• � ������ ��� �# ����� !�� � ������ ��� � ��

• /� ������ ���� � ��# ����������� ��� ��� � �� ������� ��

� � � � � � � � � �

, � ��� ���� �/� � ���M G N �@H �@% �2�

/�� �� ��C ���� � �MK �? N � � %@=

/�� �� ���� ���� � ��� �@A � ��%�H = @�� ��%��� $@= � ��%��

/� ����!��; � �� � �M& < N � % $A � ��� ���� � ����

��� ���� � � ��* ���< ��M��N C ���� �� 6�- �$%% 4% �� �@6�- ��4% = % ) �� � �� �6�O �- ��%

C ���� � �� �� � ����� ������� � �� �M( . N �$ �A $@�

� @������ � �� �� � ����� ��� ������ �M . 2��N D @$ �4 �D

/�� ( ������� ��� ����� ���M /� N $A HH A %

� �� ���� � ���� P ��%= � P ��%= � : 1 ��%%%

WNR: Weapons Neutron Research facility at the Los Alamos Neutron Science Center

Page 13: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

13 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

� ����� ��������� � ����, �������������

Mercury in state of cavitation

Mercury filled test target being prepared for in-beam test

Simulation of test target response to beam show mercury pressure evolution

[Pa]

What is the tensile strength of mercury?1.5 bar

Page 14: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

14 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������3���4����������������� � ��� ��

• � K ���� � � ������!� ������� � ��� �

– 0 # �� �� ��� ��� !��� ��� ����� ������ � �� �# � ��� ��# �� ��� � ���

– 0 ����� � ��� ��� !�� ����� ���� � � ��� �� � � � � ��� �

– � � � � ������ ��� !� � � ��� ��� ��# � # # ���� �� � �� �# � ���� � ��� ������� �

• � �� ��� ������ � � ��!� ��� ����� ���� �# � # # ����� ���� � � ��� # ��6�# � ����� �� ���� ��� ��� � ��# � # # ���� � � � �� ��� ������� �!!� � ����

– � �� � �� ��� �� �� ��� � ��������� �( �� ���������� !��* � �� �� � �� �

• '�"� �� �� �"# �� ��� � ��������!� ��� � �� � ������� � ��� ��� � ������$%%$�� ��� �!���"#$# � # # ����J�� � �� � ����� � �� �# � �H

• '�"# �� ����������$%%A �� ��� �>���# � # # ���J�� � �� � ����� � �� �# � �H

• . /0 �) � ' �������� � � �8� !!"������ � � � �� �� �9J�� � �� � ����� � �� �# � ��A

Page 15: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

15 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

���������������5�� � ��� ��5#

• + ����� ���� � �� �������� � � �!� ��"� � ����� �� � �

• � � � �� �� � �� � # ���� �� �!�� �# ��������# �� �!� ��� �� ��� � ��� � � � ��� ��� ��� � �� � ������� � ��� ���� � �� �� � ���6��@�@6�� �� �� ��� ��� � ��� � ���� �� ���� ���� � ��# � # # ���� �� ��� � ����

• �� � �� �!�� � �� � ��� ��� �� 2��8� � � ��� ���� �J�$H�� 2�9

• � � � � ��� � �� ��� ��!� �����

– , ��� ��� ��� ����� �� ��� ��� �� � � ��* � ����� ������ � �� ���� ��� �� ����� � �� �� �� �����; � �� ����6�!�� �� �� � �� �� ��������� �� �� �) + � �# �� � �� �( ��� 6����� ���� � �� ���� �� �� ��� � ����6��� @

Page 16: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

16 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

����������������� ������ ��������5�

• � � �� !�� � 6�'� Q��0 � � ��� ��� # # ���� � � ��� ������80 �� 9�� � ���� ����� �# ��������� ���� ���� +

• �� ��� ��E ��� ������ Q��� � � ��� �� � �� �!�� ��� ������ �� �� �

• E ��� ������ �� !�� � � �� � �� �� ��8E 5 9�� � � ��� �� �� � �� ��� ��� ����!� �� + �� �� ���� �� ��� � �����8>� ����� �!� �� �� �# � �� + ) �2��0 � 9

• . ���� �� ����� ���# � # # ������ �# �������� �!����L�� �� ������ �!� ��� � ��� �� � ��� �. 0 C 0 �# � # # ����

ABS: 3 pairs of acoustic transducers

SNS Target Test Facility

Page 17: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

17 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

Damage Test Specimens (DTS)

Mercury Pump

Storage Tank

Bubbler #1

50.8 mm

25.4 mm

1.5 mm

50.8 mm

25.4 mm

Bubbler #2

����������������� ������ ���6*0���1�������� ������

• 0 ���� ������ � �� �������� � � �� � ����� �� � �� ����� ��� � ���� � ���������� �� ��� � ��< ��� � ��# � # # ���������� � ��

• ) � � �� �� # ���������� ��� �J�

– �� � �� ��� � ( ����� � � �� �# ����� � ��

– , !!���� �� �� � � ��� ������ ���� �� ���������� ���# � # # ����@

Page 18: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

18 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

Bubbler #1

Helium

Series average

VF = 3.56E-04

A B C

1/������� ���������7����������88����������������� ������%&9��:�

Bubbler #2

Argon

Series average

VF = 1.34E-03

Bubbler #2

Helium

Series average

VF = 1.37E-03

Page 19: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

19 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

0.0E+00

2.0E-04

4.0E-04

6.0E-04

8.0E-04

1.0E-03

1.2E-03

1.4E-03

1.6E-03

1.8E-03

2.0E-03

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Radius [mm]

Num

ber

dens

ity [n

/mm

3 ]

01D-S01_04D-S02S07S0804D-S09S1104Dec06State0304Dec06State10

B1B2B1B2

140 sccm, Total VF = 1.29E-03

300 sccm, Total VF = 2.61E-03

140 sccm, Total VF = 4.74E-03

300 sccm, Total VF = 3.46E-03

4������� ;�� �� ��� �������<����(��� �7�������%&99�*:����������� ������� �=��� ��

Smallest bubble:0.12 mm equivalent radius.

Corresponds to 2005 damage test condition.

Page 20: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

20 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

For cross flowFor coaxial flow

���������������������������������������������� �������������� ������������ ������ �� ���>�������.�������5�&

• , � �1 �%@$���L�'� �1 �%@����L�����!� � �������� # ��, � �1 �%@A ���

• �� � �� ��� ��� ��!�� ��%��� ����2�

• � ��� ���� ������� ����� ���� ��� ���� � �� �!�� � �� ����� ��� ������� ���

• K � ���� ����!�� ��%@���� �A %%�� �*From JAEA collaborators

Page 21: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

21 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

A

B

C

UL = 0 ; QHe = 10 sccm

UL = 0.63 m/s; QHe = 10 sccm

UL = 0.63 m/s; QHe = 100 sccm

• � ��� ���# � # # ������ !!���� �� ��� � �� # ���� �� �� ���!�� # ������� � � ��!� ����� ���# � # # ���� �� � � ��� �6�# � �������� ����< ������� � ��� �� �

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

Bub

ble

Dia

met

er [m

m] Edge

TransmissionAcoustic

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Bub

ble

Dia

met

er [

mm

]0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.1 1 10 100 1000Gas flow rate [SCCM]

Bub

ble

Dia

met

er [m

m]

UL = 0

UL = 0.63 m/s

UL = 0.96 m/s

Page 22: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

22 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������������������ �������� ����� ��������6 ��� ����������

• K � � ��� � ��# ������ �� �� ��� � �) + � � � � � # ��������!� ���� � ����� �� � ��2���� � �� ��� �������� �� ��� �� ���� ��� ��� �� ���� ��� �� �� � ���� � ����� � ��� �� �� ����� �� ���� �������� �!� ���!�� �� � � ��� ��� ��� � �� � �

– 0 ��� �� � � �� � # ����� ���� ���� � ��# � # # ���� ����� ��� �

• ) � � ����� ���� ��� ���� � �� ��� �� � �� ���� � � �� ���� � ����� �� �� � � �� � ���� ��� ���

• C � �� ��� � � � � # ��������* �� ��������� ��������� !�# � �� � � ���� �� ��� �� �� � ����� � � �� � � ���!� ���� � ����� �� � ��� � ���

– ) + R 6�+ �� ���6�� �� �) ) S 6� �� � � �6�, � ��+ � � �

• � �� ��� � ������ !����� �� ��� ���� � ��; � ���# � �# �� � �� �( ��� � � � � �� ��� ���� � � ������ � ������������ ���

– � ��� ���# � # # �����8� � ����� �� ���� � �� 9

– K � ��� � ��������� ��� � ����������� � �

– K � ��� � ��������� ����� � �� � � �� ��� ����+ � �����

Page 23: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

23 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������������� (�� ��������� ��������#������������� (�� ��������� ��������#������������� (�� ��������� ��������#������������� (�� ��������� ��������#

FluentCFX

bubb

le c

oale

scen

ce

Db =1.064 mm (measured)

Db =1.196 mm Db =1.049 mm

Page 24: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

24 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

)����� ����������������������

SNS Target configurationTTF Target only has main flow

Page 25: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

25 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������������������������ ����������������������� ����� ��������?��*

• + ����K � ��� � � ���T � � �������>� ��� ��� � ��� �� ���� ��

����� ��� !��� ��8��� � �� 9��� �� ���� � ��

• � � �!� �"�� � �!��� �� � ���� � ���T �� ����� ���� !�

�� �� ���� �� ���� ���� �!� ������ ��� ��� ��� ��� ���

�� �!� ��� ��� 6�� �� �� �� �6�� � ��� � �� "� � �� ���� ��� � ��

• /� �� � ��G � ���K � ���� � ���T � �� � �� � ���� � ���� !�

�� ����� ������ ��� ��� �� �����# � ���� � ��� �� ����� ��

� � ����� # ���# � � �� � ��

Page 26: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

26 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

4������*���������

• ��� ������� � �� � ��� �� ��� � ���� !�$%%$���"� �� �� �"# �� ��� � ��������

• � � ���� � �� �!�� �

• � � �� � ����� � ��� ���� �� B �� !�# � �������� � ����� �� ��� �� ��� �� ��� �� %B �� ��� �� � �� � � ��� � �

Page 27: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

27 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

�����������5�� � ���� ��������������������� ��

Page 28: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

28 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

��5������������������������� �������������� ������������������ �=��� ��� �����&

Outer acrylic window

Replaceable insertRi = 41 mm

Page 29: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

29 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

1�����/�����$� �������� �=��� �������������� 5�����������#

• K � ����>� ��� ���� �� � � � �%@A ����'� �� � ����� �

• - �2$�� � � ��� ���� ����� � �� �!�� �

• A %%�� ��& ��� � ��!�� � ��� ���� ���� � �� !����� � ��� ��@

Mercury flow quasi-stagnation point.

Viewport

Page 30: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

30 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������.���� ���(�.���� ���������������������������������.���������������������������

• �� � �� ����!� � �� �� � ��� !�!�� �� �����!θθθθ 8 � ��� ��� �� ��9�T D %U P �φφφφ 8� � � �� � �!"� �� ��9

• + �� �� ������ � �# ��� � ��< � ��� ��� �� � � ��6�� ���� � ��� �� � � ��6�� ���6�� ��� � � �# ��� ��� �

Page 31: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

31 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

��� ����� ��$����� ������������������

Gas injection

Nominal Hg Flow, Gas Flow = 1000 sccm

7A31903

Page 32: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

32 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

��/���������������������������������������

• � ( ���� � � � ��� � ��� !��� �"� ������ ��� �� ���� !���� � �� ��� �� ��� ��� � ���� �� ������ ��� � ��� ���� �� � � ���� ��� ��� � � � ��� � �

• � � �� � ������� � ��� ���!!� ��� ������� �@�!����� � ���� � ��������� � �# ���� ���� ����� � ��� �� ���� �. 0 C 0 Q�� '

Vertical grooves (0.5 mm pitch, V 30 deg)

Mercury flow left to right

Gas Injected at this Nozzle

Page 33: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

33 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

2010��-��� ���� � ���� �������.�����������������

Page 34: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

34 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

����6 2010���������� ��$1/�� ��������������� ������������������� � ��� ��

Flow guides increase flow velocity to more prototypic SNS conditions

Hg Flow

33 mmTest surface with surface texturing

Page 35: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

35 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

-�.�������� ��� ��������������������� �� ��������������� ����� ��� ����� ��������, ��

• C � �� �� ��� � ����� � � ��� ��� � ���� ��� � �� � ����� ��� ���� ���� � ����� ��� �# �� ����������� �# � �� �� � � ����� � �� �� ��� �� ��� ��� �� � � ������ !�� �� � �� �H�

– !%������������&������'

3 test surfacesper target

Page 36: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

36 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

Rectangular target interior

1.625 x 5.625”

HIGH intensity1 σσσσ_X = 13.5 mm1 σσσσ_Y = 4.5 mm2 σσσσ4.8 MW SNS eq,

MEDIUM intensity1 σσσσ_X = 21 mm1 σσσσ_Y = 7 mm2 σσσσ2.0 MW SNS eq.

LOW intensity1 σσσσ_X = 30 mm1 σσσσ_Y = 10 mm2 σσσσ1.0 MW SNS eq.

)*0��1������������� ;������ ����� �������� 8'��):�����#

Total energy deposited in targets is maintained between conditions.Intensity varied by changing beam spot size.

Page 37: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

37 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

�1����������������������� � ���

Target – Test No. of Pulses protons /pulse pulse length σσσσ_X σσσσ _Y Maximum

Intensity Comment

x 1012 [µµµµs] [mm] [mm] [p/mm2 x 1010]

(approx.) (half width) (half height)

RECT – LDV various beam 95 0.1 – 27 0.3 14.8 – 33.6 4.6 – 10.4 5.6

LDV & PCD testing. Varied intensities by changing profile and protons

RECT – High Intensity 100 26.5 0.3 15.4 5.2 5.25 Request smallest possible beam

spot with 3:1 aspect ratio

RECT – Medium Intensity 100 26.6 0.3 20.2 6.1 3.43 This condition roughly splits low

and high

RECT – Low Intensity 100 26.3 0.3 32.5 9.5 1.36 This is about the largest beam that

fits inside target at 2 σσσσ

RECT – textured surface 100 26.5 0.3 21.2 6.7 2.95 Cone type textured test surface;

Gas puffing suspected not correct

RECT – Long pulse 100 45 ? 833 20.4 6.1 6.0 ? Long pulse beam conditions still

under study

Primary damage dependence on intensity scope

Page 38: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

38 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

0����� ������� ��������� ��� ���

• � � ����� � � � ����? �# �� �����

– ���� ���������� �� !�� �# �� ��� ���� ��� �� ��� �� ��� � � � ��� � � ��� � ���� �� ������ �� ���� !� � � ��� ��� ����������� �� �� ���� ����� ������� ���� � �� � ��� � ������ �

– � � ��; � ��� �� ������ �# � �. 0 C 0 � � ��� # � �� �� ���� ��� �� ��� � �� ��� !� � � ��� ��� ��� � �� � �L��� ���!� ��� � � ����� ��� �� ��� �� !!"������ �� ���"# �� ���������

• C ����� ���� �!� ���� � ����� �� � � � ���8A �T �A �( & < 9

– �C ) �* �G + ? � ��� �� ���

– (��)�����������������������!*������

• /� ���� �� � � ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ���� � �� �� ����� ���� ��� � ����8��� �� �$@$A � & < 9

– , ����C ) ��� �� ��

– , # �� ���� �� ��!� ��� � �� ��� � ������ ����� ��� � � ���������� ��� �� � ? �� � ��

Page 39: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

39 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

1/�������������� ��������������������, 5@�*������

Velo

city

(m/s

)

-2

2

-1

1

1.2 1.4 1.6 1.8 2Time (ms)

Page 40: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

40 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������������� ��� ��������������� ����������������������

High intensity

Medium intensity

Low intensityInteresting artifact is consistent 2 ms after incidence

CD

P (m

m2 /

s)

2 3 4Time (ms)

0

0.05

0.11. Band pass velocity data (15 – 300 kHz)2. Omit 10 µs after pulse

dtVCPD �= 2

Page 41: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

41 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

��� ��� ����������)����� ����������6�����������������

� �� ��) � /�8��$2�9

8%@%��– H���9

/��� � ��� ��������#��!�� ��� ��� !���� � �� �

� ��� �80 �20 %9

& �� � ���������� %@�� �

�� ��

%@%D �@H=

�� �� ����������� %@%= ��

�� ��

%@%�$ �@%%

� � � ���������� %@%� $�

�� ��

%@%� � %@= H

� , � K �/E � � C � �� �� �����������

- �%@%%%� : �%@%�

• � � �� �� � ����) � /������ ����� � ���� � �� �� ������� ������� � ���� � ���� � ����V ��� ��������� ��� � � ����� ��� !� � � ��� ��� ������� ���� � ��

– � � ���� �� �� ������� � L���� �� ����������� �� �� !���L�

• ������������������������+�,��� ���

– � � �� � ��� ����������������� �� � �����V

• 0 �0 F E � ����� �� ��� ���� !��� �� ������� � ������ �� ����� ���� � ������ � � �� �� �� ������ � ������ ��� �� ������� � ������ �� �!!������# �� �� � �� ���� ��

Page 42: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

42 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

������

• � � � ���� � �� ��� �� ���� �� ��� � ���������� ( ��� �� �� � ��������� �� ��� � ��� ��� � ��; � ���!� �� � � ��� ��� ��� � �� � ������� � ��� �

– C !!� ������� � � ��< ����� ���� � ��# � # # ����� �� �� �� �� ��� ��� � ������� � ��� ��� � � �� � � ����� �� � � � �� � �������� ��� ��� �� ��� � �����

– /� ������� � �� ��� ��� � ���� ��� ��� !��� ��!������ � � ��� �� ���� ����� �� � �� ���� ���� �������� � �����!� ��� ��� ��� ��� � �� � ��� � ����� # �����

• ��� ��� � � �������� � �- 4%%�( G L�� ����� ���� � � �����$S � G

– ) � � ���J�

• E � ���� ���� ���� � �� ��� �� � � �� � � ������ ���� ��� � � � ��� �� �����!��� ����# ��� ����� ��� ��� � ������ �# � � � � ��� ��� ��� � �� � �6�� �@�

• G � ����� ���!� ������� � ��� �� � � �� ��8�9�� ����# ����� � � �!� ��� �� �� � ����

Page 43: ESS-Bilbao Initiative Workshop. R&D Towards mitigation of cavitation damage in the SNS mercury target vessel

43 Managed by UT-Battellefor the U.S. Department of Energy

��������� ���� ���2010�:�2��������������������������������� �

• � � � �T . � � � ��� �� ��� � ��� # � �� ��� ������ �� ��� ����� � ������� �� �� ��� � � ��� ��� � � ���# � ��� �� ������ ��� ��� �� �� � ���� � ��� �� � �������

• �� ���� � ��� !�8!� ����9�C � � �T . � � � ��T E � �0 � C � � ��� # � �� ��� ��

• � � � ��� !� � ��� ������������ � � ��# ���!�����

• C �� � � �� ��� ���� !�� �� � ������ ��� �� �� ����� �� ��� �� !���� � �� ��� �� ��� � � ��� ��� ��� � ��� ���� �� �� �� �� ��� � ������ !������ � ��� ���� � �� �� � ���

• & ��� !� ��!� ����� ��� � ��� �������� �!� �� ��� �� �� ��� �� � � ������� � � ��

• ) � �� ������� �� ������� �� ��!�� ��# � �� ���� ���� ������� � ��� �; � � ( ����� ���