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報告書

福島第一原子力発電所1号機において地震に起因する冷却材漏えいが事故の原因となった可能性があるという指摘について

久木田 豊; 渡邉 憲夫

JAEA-Technology 2014-036, 38 Pages, 2014/11

JAEA-Technology-2014-036.pdf:26.08MB

国会事故調による報告書は、地震によって原子炉冷却材の漏えいが発生し、これが事故の原因となった可能性を、とりわけ福島第一原子力発電所1号機について指摘している。この指摘については、政府事故調査委員会及び原子力安全・保安院、原子力規制庁により、地震応答解析の結果、プラントパラメータの記録、再現解析の結果等に基づいて検討され、地震によって微小な漏えいが起こった可能性までは否定できないものの、たとえ起こっていたとしても炉心損傷の原因となるようなものではないと結論づけている。また、国会事故調が安全上有意な漏えいの可能性を疑う理由として挙げた個別の論点についても反論を加えている。本報告書は、この問題について、原子炉計装のレビューや再現解析による漏えい検出能力を再検討し論旨を補強することによって、できるだけ技術的な不確かさを排除して解決することを目的としている。また、検討の過程において、1号機の設計上の特徴や、設備の変更履歴、事故時運転操作手順、事故時の実際の運転員操作を分析し、さらに調査すべき課題を摘出した。

論文

First flight demonstration of glass-type space solar sheet

島崎 一紀*; 小林 祐希*; 高橋 眞人*; 今泉 充*; 村島 未生*; 高橋 優*; 豊田 裕之*; 久木田 明夫*; 大島 武; 佐藤 真一郎; et al.

Proceedings of 40th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-40) (CD-ROM), p.2149 - 2154, 2014/06

ガラス型スペースソーラーシート(G-SSS)はインジウムガリウムリン(InGaP)とガリウム砒素(GaAs)によって構成される2接合太陽電池と、さらにゲルマニウム層を含むInGaP/GaAs/Ge 3接合太陽電池のふたつの太陽電池からなり、厚さが0.5mm以下の軽量太陽電池シートである。G-SSSは小型科学人工衛星「ひさき」(SPRINT-A)に搭載され、2013年9月14日に打ち上げられた。運用期間中に得られたデータからG-SSSは正常に動作していることが確認でき、本プロジェクトはIII-V族多接合薄膜太陽電池を用いたG-SSSの世界初実証実験となった。G-SSSの太陽電池は、高崎量子応用研究所での放射線照射試験等、様々な地上試験から予測されていた通りの優れた性能を示しており、新型軽量ソーラーパドルの実用化に貢献する成果を得た。

論文

Latest design of liquid lithium target in IFMIF

中村 博雄; Agostini, P.*; 荒 邦章; Cevolani, S.*; 千田 輝夫*; Ciotti, M.*; 深田 智*; 古谷 一幸*; Garin, P.*; Gessii, A.*; et al.

Fusion Engineering and Design, 83(7-9), p.1007 - 1014, 2008/12

 被引用回数:14 パーセンタイル:27.98(Nuclear Science & Technology)

本報告では、国際核融合材料照射施設(IFMIF)の液体リチウム(Li)ターゲットの最近の設計について述べる。IFMIFは、核融合材料照射のための加速器型中性子源である。中性子は、重陽子ビームを液体Li流に照射して発生させる。ターゲット系の主な設計要求は、1GW/m$$^{2}$$の熱負荷除熱のための流速10m/sから20m/sで安定なLi流を実現することである。そのため、2段絞りのノズル及び曲面流が採用され、流動特性は水とLi流実験で確証された。純化系は、コールドトラップ及び2種類のホットトラップから構成されており、トリチウム,ベリリウム7,酸素,窒素,炭素等を、許容量以下に制御する。窒素は10ppm以下に、トリチウムは1ppm以下である。また、信頼性のある長期運転のため、自由表面計測など種々の計測器が設置される。ターゲットアセンブリの背面壁は、50dpa/yの中性子照射を受けるため、遠隔操作で交換可能な構造が不可欠であり、2つの方式が検討中である。

論文

Small-scale experiment on subcooled water jet injection into molten alloy by using fluid temperature-phase coupled measurement and visualization

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫

Journal of Nuclear Science and Technology, 44(8), p.1059 - 1069, 2007/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:37.71(Nuclear Science & Technology)

融体中に貫入する水ジェットの挙動について実験的に検討した。両相の混合と相互作用を流体温度と流体相判別を同時測定することで検出した。本実験のために新たに開発したプローブを計測に使用した。従来研究例の多い融体注入モードにおいては、水中に投入された融体の温度低下によって膜沸騰が不安定になることが蒸気爆発の原因(トリガリング)であると考えられている。一方本研究の対象とする冷却材注入モードでは、融体中に注入された水の温度は上昇し続け、これは一般的には膜沸騰を安定化させる効果を持つはずである。しかしながら、本研究の実験においては、水及び融体の初期温度が最も高い場合に最も不安定かつ急速な蒸気生成が起こり、融体注入モードとは明らかに異なる現象が起こっていることが明らかとなった。融体及び水の初期温度とジェット速度を系統的に変えた実験の結果から、このような不安定現象は融体と水が液液接触した時の界面温度が水の均質核生成温度を超え、かつキャビティ内に大量の飽和水が蓄積されているときに起こることが明らかになった。一方、界面温度が水の均質核生成温度より十分に低い場合には安定な沸騰を維持できることも明らかになった。

論文

In-pile experiment in JMTR on the radiation induced surface activation (RISA) effect on flow-boiling heat transfer

柴本 泰照; 与能本 泰介; 中村 秀夫; 久木田 豊*

Journal of Nuclear Science and Technology, 44(2), p.183 - 193, 2007/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:59.58(Nuclear Science & Technology)

放射線誘起表面活性(RISA)効果による熱伝達改善の可能性を調査するために炉内で流動沸騰実験を行った。テスト部は、SUS-316L製の円柱ブロックに直径2mm・長さ100mmの流路孔を開けたもので、電気ヒーターにより加熱される。テスト部を内包した照射キャプセルを材料試験炉(JMTR)の照射孔の一つに挿入し、準定常的な実験を実施した。実験は、照射前(炉外及び炉内原子炉起動前)と照射中・照射後(炉内)の条件で、同じ境界条件下で同じテスト部を使って実施した。このような手法により、実験データの比較を通してRISA効果の直接的な評価を行うことができる。圧力420kPa,質量流束180$$sim$$630kg/(m$$^2$$s)の環状噴霧流条件に対して、ドライアウト開始点までの沸騰曲線を取得した。照射中及び照射後に得られた限界熱流束は照射前のそれよりも平均で約10%増加するという結果を示した。一方で、限界熱流束以下の壁面過熱度は照射前よりも全般的に増加する傾向を示した。

論文

Two-dimensional optical measurement of waves on liquid lithium jet simulating IFMIF target flow

伊藤 和宏*; 伊藤 太郎*; 久木田 豊*; 小寺沢 宏之*; 近藤 浩夫*; 山岡 信夫*; 堀池 寛*; 井田 瑞穂; 中村 秀夫; 中村 博雄; et al.

Proceedings of 14th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-14) (CD-ROM), 6 Pages, 2006/07

高エネルギービームのターゲットとして提案されている液体リチウムジェットの表面に生じる波の形状を、単一のレーザー光のジェット表面からの反射を利用して計測した。表面波の局所の傾斜について、流れ方向及び流れと垂直方向の成分を計測し、最小自乗法による三角関数フィッティングを行うことで計測限界による信号の一部欠損を補った。さらに、波形を線形表面張力波に対する分散関係に基づいた波の位相速度から予測した。ジェット表面の波の伝播方向も、波の表面の傾斜の積分から得られる振幅が流れの方向と流れに垂直な方向で合理的に一致すると仮定することで求めた。これらの結果から、ジェットの流速が1.2m/sの時、計測地点での表面波は傾斜が0.32rad,波長4.2mm、振幅は0.06mmの斜め波であると同定した。

論文

Two-dimensional optical measurement of waves on liquid lithium jet simulating IFMIF target flow

伊藤 和宏*; 伊藤 太郎*; 久木田 豊*; 小寺澤 裕行*; 近藤 浩夫*; 山岡 信夫*; 堀池 寛*; 井田 瑞穂; 中村 秀夫; 中村 博雄; et al.

Proceedings of 14th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-14) (CD-ROM), 6 Pages, 2006/07

液体リチウムの流れを乱すことなく自由表面の波形を求めるためレーザーを用いた非接触の測定法を考案し、大阪大学のリチウムループにて測定を実施した。限られた視野角から得られたレーザー光反射角度データを最小二乗法で補間することにより表面波の波形を求めたところ、流速1.2m/sでは、波長3.8mm,振幅0.05mmであることを明らかにした。

論文

Simultaneous measurement of fluid temperature and phase during water jet injection into high temperature melt

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫

Proceedings of 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-11) (CD-ROM), 15 Pages, 2005/10

溶融鉛ビスマス中に貫入する水ジェットの挙動について実験的に検討した。両相の混合と相互作用を流体温度と流体相判別を同時測定することで検出した。計測には、本実験のために新たに開発したプローブを使用した。従来研究例の多い融体注入モードにおいては、水中に投入された融体の温度低下によって膜沸騰が不安定になることが、蒸気爆発の原因(トリガリング)であると考えられている。一方、本研究の対象とする冷却材注入モードでは、融体中に注入された水の温度は上昇し続け、これは一般的には膜沸騰を安定化させる効果を持つはずである。しかしながら、本研究の実験においては、水及び融体の初期温度が最も高い場合に最も不安定かつ急速な蒸気生成が起こり、融体注入モードとは明らかに異なる現象が起こっていることが明らかとなった。融体及び水の初期温度とジェット速度を系統的に変えた実験の結果から、このような不安定現象は、融体と水が液液接触した時の界面温度が水の均質核生成温度を超え、かつキャビティ内に大量の飽和水が蓄積されているときに起こることが明らかになった。一方、界面温度が水の均質核生成温度より十分に低い場合には安定な沸騰を維持できることも明らかになった。

論文

移動自由表面の形状測定に基づく表面近傍の速度・圧力分布測定法

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫

日本機械学会論文集,B, 71(703), p.825 - 832, 2005/03

移動液表面近傍の速度場と圧力場を非接触で計測する手法を開発した。本手法は、自由表面の形状測定に基づいて行われる。速度場と圧力場は、境界要素法(BEM)を用いて、時間依存の流体表面形状に課せられる運動学的境界条件を満足するような非圧縮流れ場を捜し求めることによって導出される。本手法を水銀プール表面に水ジェットが衝突する現象に適用した。BEM順問題計算により表面運動を計算し、この表面運動から速度場と圧力場を逆算することで手法の成立性を検証した。逆算結果は、BEM順問題計算での圧力分布とよく一致した。

論文

BEM-based measurement of pressure field adjacent to moving free surface

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫

Proceedings of 5th International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2004) (CD-ROM), p.217_1 - 217_9, 2004/05

移動自由表面上の圧力分布を間接的に測定する新しい方法を開発した。従来、PIV等による速度場データを入力として圧力場を求める間接測定法では、圧力のポアソン方程式(PPE)がしばしば用いられてきた。この方法ではPPEが圧力と速度の空間差分で表されているため、自由表面上では圧力のノイマン境界条件(dp/dn)を与える必要があった。しかし移動境界では固定壁と違い、自らの運動のためdp/dnがゼロではない未知の値となり、事実上ノイマン条件を与えることができない。さらに、移動境界では速度場の計測自体が困難である。そこで本方法では、PPEを使わず、表面の変形だけからそこに加わる圧力分布を推察することを試みた。界面の変形は速度測定より遙かに容易で、不透明液体にも適用可能である。この方法では、ポテンシャル流れの仮定の下、自由表面形状の測定と境界要素法(BEM)に基づく数値計算を組合せることで表面の変形から表面上の局所流速を求め、これをBernoulliの圧力方程式に代入することで表面上の圧力分布を得る。局所速度(速度ポテンシャル)は、2時刻の界面データから決まる局所の幾何学条件と、流れ場の方程式を連立させて解くことで得られる。本方法を、圧力分布が既知の移動界面データを入力に検証したところ、予測値は参照値とよい一致を示した。

論文

複合プローブによる水/溶融金属混相流場の温度・相判別同時計測; 信号処理回路の開発

柴本 泰照; 佐川 淳*; 久木田 豊*; 中村 秀夫

混相流, 17(2), p.171 - 179, 2003/06

水/溶融物混相流実験への適用を目的として、局所における流体相判別と温度計測を同時かつ高速で行う複合プローブを開発した。細径の露出型熱電対を用いて、温度測定と同時に、溶融金属・水・蒸気のいずれの相の温度を測定しているかを検出する。100kHzの交流信号を熱電対に印加し、熱電対と接地間の電気イピーダンスを計測することで相判別を行う。交流信号は、アンプで増幅される前にローパスフィルター(LPF)によって温度信号から分離される。初期設計段階では、熱電対が金属相に接触し、電気的に接地されるたびに温度信号に大きなノイズがでる問題が生じたが、LPFを再設計することでこれを改善した。最終設計では、水-溶融物-蒸気各々の相に対して、相表面の高速移動と温度変化の計測に成功した。

論文

System pressure effect on density-wave instability; Simplified model analysis and experiments

柴本 泰照; 井口 正; 中村 秀夫; 久木田 豊*

Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 11 Pages, 2003/04

沸騰垂直流路の安定限界における系圧力の影響について、解析的及び実験的な検討を行った。モデル作成は、Wallis-Heasleyの熱平衡・一次元均質流モデルに基づいて行った。システムの特性方程式が解析的に解けるように、通常ムダ時間要素で表現される入口流速に対する各種応答を一次遅れ要素によって表した。これは、近似表現ではあるが、特性方程式内で個々の要素を分離して表現できるため、不安定に対する支配因子の特定が容易となる。提案した簡易モデルについて、Ishii-Zuber安定マップ上で実験データと比較した。安定限界を示す実験データは、系圧力に大きく依存する結果となった。本モデルによる予測値は、二相流域の圧力損失に対する系圧力の影響を考慮することで、実験データをよく予想できた。また、システムの固有振動数は、二相流の通過時定数と密接に関係し、これもモデルでよく予測できた。

論文

Water flow experiments and analyses on the cross-flow type mercury target with perforated plates

羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 神永 雅紀; 日野 竜太郎; 田川 久人*; 久木田 豊*

Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 8 Pages, 2003/04

大強度陽子加速器計画で建設される物質・生命科学実験施設の核破砕ターゲットとして、陽子ビームの入射方向に対して直交する方向に水銀が流れるクロスフロー型ターゲット構造を検討してきた。本報告では合理化設計の一環として、内部構造をより簡素化し、製作性の向上と製作コストの低減を目指した多孔板を用いる方式について、その有効性を非加熱の水流動実験及び解析により検討した。多孔板を有するクロスフロー型水銀ターゲットの実規模アクリルモデルを製作し、PIV(Particle Image Velocimetry)法を用いてモデル内の水流速分布を測定するとともに、流動解析を行い実験値と比較した。その結果、多孔板によりクロスフロー型の流れが実現できること、また、解析モデルは冷却に特に重要となる陽子ビーム照射領域での流れパターンを良く再現できることがわかった。

論文

Visualization and measurement of subcooled water jet injection into high-temperature melt by using high-frame-rate neutron radiography

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫

Nuclear Technology, 139(3), p.205 - 220, 2002/09

 被引用回数:22 パーセンタイル:20.24(Nuclear Science & Technology)

溶融金属表面での水の直接接触沸騰は非常に効率の良い熱伝達を期待でき、液体金属冷却炉の一体型熱交換器の開発や軽水炉溶融炉心の冷却手段,または事故時の影響評価などと関連して近年注目を集めている。水ジェットのプール中への貫入挙動について、非沸騰体系またはジェットの沸騰する体系,プール材料の沸騰する体系など、数種類のプール流体を用いた実験研究がこれまでに行われており、プール流体と水ジェットの密度比$$R$$=$$rho_{m}$$/$$rho_{j}$$で0.81~13.6の範囲に及んでいる。これらの研究により、ジェット貫入やキャビティ形成に関する各種データが提供されてきたが、実機のような高密度比($$R$$大)かつ高温沸騰条件でのデータは筆者らの研究を除いてほとんど得られていない。本研究では高速度撮影の中性子ラジオグラフィを用いた実験を行い、可視化に対する問題を解決するとともに、発生蒸気量やメルト/水噴流界面形状にかかわるパラメータの定量計測を行った。衝突ジェットは、$$R$$小の場合にはジェットブレークアップ(エネルギー散逸)により貫入が制限されるのに対して、高温溶融金属中への水ジェット貫入は浮力によって制限される。また貫入は、沸騰による蒸気生成量やその界面の安定性にも大きく影響され、初期メルト温度や噴流速度に対する依存性があることを見いだした。

論文

Boiling and non-boiling water jet penetration into liquid metal pool

矢野 早苗*; 久木田 豊*; 辻 義之*; 柴本 泰照

Proceedings of 3rd International Symposium on Advanced Energy Conversion Systems and Related Technologies (CD-ROM), 7 Pages, 2001/12

鉛ビスマス冷却炉の開発や軽水炉の溶融炉心冷却に関連して、水の直接接触沸騰現象に関心が高まっている。筆者らは、鉛ビスマス溶融金属表面に水ジェットを衝突させたときのキャビティ形成・成長について、中性子ラジオグラフィを用いた可視化実験を行い、特に沸騰を伴う水/液体金属の界面挙動の高速度撮影に成功した。界面挙動やキャビティの成長は、沸騰の寄与も含めた界面に働く応力により決定されるが、これらの定量的な考察は可視化データからでは難しい。そこで本報では水銀を用いた等温実験を行い、沸騰実験の結果と比較することで、界面上の応力バランスの評価を試みる。また、実験では、計測の難しい圧力場や流速場データを得るため境界要素法を用いた数値計算も行った。得られた結果をもとに、界面形状やキャビティの体積成長・圧力変化の解析を行い、スケーリング則に基づいたモデルを提案する。

論文

自由界面波上に発生するリップルの非定常運動に関する研究

関 紘介*; 辻 義之*; 近藤 昌也; 久木田 豊*

日本機械学会2001年度年次大会講演論文集, p.9 - 10, 2001/00

重力波の上に重畳したリップルの挙動をウェーブレットを用いた時間周波数解析によって評価した。界面波の形状は固定された屈折式レーザー液面計によって測定した。リップルは重力波の山から見て進行方向の側に生じるため、時間周波数解析を用いて、リップルのある側とない側のパワースペクトルを求めた。そして、その結果をより重力波とリップルのエネルギーを求め、重力波とリップルがほぼ同期してエネルギーの増減を繰り返しつつ伝播していることを明らかにした。また、重力波の先端付近の形状を時間周波数解析し、リップルの形状が重力波の先端付近の形状(尖度)と密接な関係にあることを明らかにした。

論文

Experimental investigation on similarity between velocity and density profiles in density-scratified countercurrent flow in reactor horizontal leg

柴本 泰照; 与能本 泰介; 安濃田 良成; 久木田 豊*

Nuclear Engineering and Design, 201(1), p.83 - 98, 2000/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

ROSA/AP600実験では、コールドレグにおいて、PRHRによる冷水とダウンカマ側からの熱水により最大温度差150Kという高密度比の対向成層流が観察された。このような多次元現象は従来の1次元安全解析コードでの予測は難しく、また、CFDコードによる微視的モデルも開発途上の段階である。これら計算コードの性能評価に用いるデータ取得のため、大気圧力下ての実験を行った。実験では、実機相当の密度差を模擬するために、作動流体に飽和塩水と淡水を使用した。両作動流体は水平試験部内で対向流を形成し、上層はほぼ静止状態の淡水層、下層は塩水層となる。乱流状態になる下層塩水層について、その速度及び塩の濃度分布は、密度成層せん断流に関するモーニン=オブコフ相対理論によって説明することができ、実験値は理論値と良く一致した。さらに、上下層の界面における抵抗係数・エントレインメント係数について、これらのfitting結果から評価し、既存の文献値との比較を行った。また、混合層厚さについて実験相関式を提案した。

論文

Free surface shear layer instabilities on a high-speed liquid jet

伊藤 和宏*; 辻 義之*; 中村 秀夫; 久木田 豊*

Fusion Technology, 37(1), p.74 - 88, 2000/01

板状の高速液相ジェット流(3.5~20m/s)の自由界面下にある剪断層の安定性について調べ、線形安定性理論で最も不安定な波数と擾乱の空間成長率が水ジェット流のデータを良く予測することを示した。このような界面不安定性は、液体ターゲットとして用いられる液体金属ジェット流に自由界面波を生成し、その特性に悪い影響を及ぼす場合がある。さらに水模擬実験のデータの液体金属への適用性を評価するために、表面張力と流線の曲率が安定性に与える効果を調べ、剪断層の厚さに基づくWeber数が6以上及び曲率半径が剪断層の厚さの30倍以上であれば、各々の効果が無視できることを示した。

論文

Behaior of a lighter fluid intrusion into a flowing heavier fluid in simulating reactor horizontal leg

柴本 泰照; 久木田 豊*; 与能本 泰介; 安濃田 良成

Proceedings of 2nd Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-2), p.374 - 380, 2000/00

原研で実施されたROSA/AP600実験において、静的余熱除去系作動後にコールドレグ内で最大温度差約150Kの顕著な温度成層が観察された。本報では、大気圧装置の実験を行い、このような成層形成時(流動冷水に対向して侵入する熱水の挙動)についての実験及び解析結果を報告する。実験では、実機相当の密度差を模擬するために、作動流体に飽和塩水と淡水を使用した。解析では、一次元運動量バランスを仮定したモデルを提案し、実験データ及び文献値との比較によりその妥当性を検証した。その結果、侵入速度が遅い領域では壁面及び密度界面の摩擦効果を考慮する必要があることを示した。またトタールの侵入流量については、自由界面の不安定性発生条件により説明できることを示した。

論文

Visualization and measurment of subcooled water jet injection into molten alloy

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫; Park, H. S.*; 安濃田 良成

Proceedings of 8th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-8) (CD-ROM), p.12 - 0, 2000/00

溶融金属と冷却材の相互作用(MFCI)時には、冷却材の蒸気が大量に発生するが、蒸気生成速度によって蒸気爆発になる場合と爆発に至らない場合がある。後者は穏やかなMFCI事象と呼ばれ、本研究ではその現象解明研究の一環として、高温の溶融金属中にジェット状に注水する体系についての基礎研究を行っている。これまで、このような研究例は限られており、特に、多くの溶融物は可視光には不透明なため、その中の水の挙動を可視化することは困難であった。そこで本研究では、高速度撮影中性子ラジオグラフィ(NRG)を利用することで、可視化に対する問題を解決するとともに、発生蒸気量や水ジェット貫入深さ等について定量計測を試みた。実験では、あらかじめ試験容器内に高温の溶融金属を満たしたところに室温の水ジェットを注入した。その結果、より高温のメルトに注入させた方が、蒸気発生量がより少ない結果となった。これは、高温の場合、水/溶融金属の界面上に安定な蒸気膜が形成され、これが伝熱の阻害に寄与し、蒸気発生が少なかったためと考えることができる。

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