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論文

蒸気爆発進展過程における膜沸騰の崩壊挙動に関する研究

八木 理公; 阿部 豊*; 安達 公道*; 杉本 純; 山野 憲洋

日本機械学会論文集,B, 65(636), p.245 - 251, 1999/08

蒸気爆発素過程における粗混合状態を模擬した鋼球表面上に形成させた膜沸騰に圧力波を加えることで膜沸騰崩壊挙動を観察した。結果として、炭素鋼及びステンレス鋼ともに圧力波が通過した直後、鋼球表面温度の降下が測定された。熱伝導計算により得られた熱流束の値より評価された蒸気膜厚は、温度降下時において減少した。これらの結果は何らかの形態で蒸気膜が不安定となり蒸気膜崩壊を引き起こした可能性を示唆するものである。また、圧力波が通過した直後の鋼球表面温度は温度降下の度合いに応じて、膜沸騰が崩壊しなかった実験結果、膜沸騰が崩壊した実験結果、膜沸騰が崩壊した後再発生した実験結果に分類できることを確認した。これらの結果から、本実験条件の範囲においては膜沸騰を崩壊させるのに必要となる圧力が鋼球の初期温度に強く依存することを確認した。

報告書

ALPHA visual data collection STX005-025; Melt drop steam explosion experiments

森山 清史; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 杉本 純

JAERI-Data/Code 99-017, 34 Pages, 1999/03

JAERI-Data-Code-99-017.pdf:7.96MB

水蒸気爆発は、高温の液体から低温揮発性の液体への急速な伝熱、高温液体の細粒化等の一連の過程が、低温液体の急速な蒸発による衝撃波の発生、伝播とともに進行し、結果的に高温液体の保有する熱エネルギーが機械的エネルギーへと変換される現象である。原子力安全、とくに軽水炉のシビアアクシデントの分野では、溶融炉心と冷却材の接触による水蒸気爆発が格納容器の健全性に対する潜在的脅威として認識され、研究されてきた。原研では事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画の中で、鉄-アルミナテルミット混合溶融物を溶融炉心模擬材として用いた水蒸気爆発実験を行った。本報告は、とくに高速度カメラによる画像情報に重点をおいて実験データを提供するものである。

論文

Quench of molten aluminum oxide associated with in-vessel debris retention by RPV internal water

丸山 結; 山野 憲洋; 森山 清史; H.S.Park*; 工藤 保; Y.Yang*; 杉本 純

NEA/CSNI/R(98)18, p.243 - 250, 1999/02

原研の事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画において、圧力容器内溶融炉心冷却性実験を実施した。本実験では、テルミット反応により生成した酸化アルミニウムをシビアアクシデント時に生成される溶融炉心模擬物として用い、水で満たした圧力容器下部ヘッド試験容器に投入した。実験後に実施した種々の試験及び試験容器壁の熱応答から、固化した酸化アルミニウムと試験容器壁との境界にギャップが形成されたことが明らかになった。原研で開発を進めている圧力容器内溶融炉心冷却性解析コードCAMPを用いて実験後解析を実施した。酸化アルミニウム及び試験容器の熱的挙動に及ぼす境界ギャップの影響を調べ、境界ギャップの存在を仮定することにより、試験容器壁の初期温度上昇を定性的に再現可能であることを確認した。

論文

Experimental study on in-vessel debris coolability in ALPHA program

丸山 結; 山野 憲洋; 森山 清史; H.S.Park*; 工藤 保; Y.Yang*; 杉本 純

Nucl. Eng. Des., 187(2), p.241 - 254, 1999/00

 被引用回数:16 パーセンタイル:22.36

事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画において、圧力容器内溶融炉心冷却性実験を実施した。シビアアクシデント時に形成される溶融炉心を模擬したアルミナ溶融物を、冷却水を張った下部ヘッド実験容器に投下した。実験後観察及び超音波を用いた計測から、固化したアルミナの表面近傍に薄い多孔質層が形成されたこと、固化アルミナと下部ヘッド実験容器壁との境界にギャップが存在することがわかった。実験中に観測された下部ヘッド実験容器壁の温度履歴から、初期には多孔質層及びギャップが熱抵抗層として作用し、下部ヘッド実験容器壁の温度上昇を抑制するとともに、後に冷却水がギャップ内に浸入し実験容器を効果的に冷却したと推定した。

論文

Study on premixing phase of steam explosion at JAERI

山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; H.Park*; Y.Yang*; 杉本 純

Nucl. Eng. Des., 189(1-3), p.205 - 221, 1999/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.44

原研のALPHA計画において、溶融物ジェットの分散及び細粒化について調べるための実験(MJB実験)を行った。最初の2回の実験で鉛-ビスマス共晶合金の溶融物ジェットを飽和温度の深い水プールに落下させ、水蒸気発生率を計測して高速度カメラによる観測と比較検討した。また、ジェットの分散長とデブリの粒径分布を調べた。さらに、ALPHA計画では水蒸気爆発過程のシミュレーションのために数値解析コードJASMINEを開発している。コードに組み込んだ溶融物のジェット及び粒子の分散モデルの有効性を調べるため、MJB実験及びイタリアで行われたFARO実験の解析を行った。

報告書

事故時格納容器挙動試験(ALPHA); 装置設計報告書

山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 森山 清史; 伊藤 秀雄; 小森 慶一; 園部 久夫; 杉本 純

JAERI-Tech 98-019, 105 Pages, 1998/06

JAERI-Tech-98-019.pdf:4.03MB

本報は軽水炉のシビアアクシデント時に格納容器に加わる負荷、格納容器からのリーク及び格納容器内でのFPエアロゾル挙動を定量的に評価することを目的とした事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画の実験装置の設計について述べたものである。本試験計画では、シビアアクシデント時の格納容器内における主な事象のうち、溶融物冷却材相互作用、溶融物コンクリート相互作用、FPエアロゾル挙動及び格納容器貫通部からのリーク挙動を対象としている。試験装置の設計にあたってこれら諸現象を忠実に模擬できること、高温・高圧をはじめ、従来の研究で不十分だった範囲をカバーできること、アクシデントマネージメントの観点からも独自な試験が行えること等に配慮した。本報では、試験目的、方法等に基づいて決定された装置の仕様、テスト部の諸元等について詳述する。

報告書

Design and first integral test of MUSE facility in ALPHA program

H.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; 工藤 保; Y.Yang.*; 杉本 純

JAERI-Tech 98-007, 62 Pages, 1998/03

JAERI-Tech-98-007.pdf:2.44MB

蒸気爆発(水蒸気爆発あるいは激しい燃料-冷却材相互作用)は、高温の液体が周囲の低温かつ揮発性の液体に接触するときに、瞬時に内部エネルギーを放出する現象である。この急速な伝熱により、蒸気の膨張による時間に比べてごく短時間に多量の蒸気が発生し、このため化学的な爆発と同じように局所的な高圧の発生、それにつづく膨張により周囲に被害をもたらすことがある。蒸気爆発による機械的エネルギーの発生は、高温液と低温液が接触したときに生じる初期粗混合条件に強く依存することが知られている。したがって、多様な接触モード(溶融物投下、層状、冷却材注入及び溶融物注入)における蒸気爆発について、同一の装置を用いてエネルギー変換率を測定し、これにより機構論的な解析モデルを評価するためのデータを取得する実験計画を新たに開始した。本法では、MUSE(多様な形状における水蒸気爆発)と呼ばれる新たな装置と、最初の実験結果を詳細に報告する。

報告書

Proceedings of the OECD/CSNI Specialists Meeting on Fuel-coolant Interactions, May 19$$sim$$21, 1997, Tokai-mura, Japan

秋山 守*; 山野 憲洋; 杉本 純

JAERI-Conf 97-011, 829 Pages, 1998/01

JAERI-Conf-97-011.pdf:38.05MB

1997年5月19日から21日にかけて、原研東海研において、OECD/CSNI主催の水蒸気爆発専門家会合が開催された。この専門家会合には13ヵ国1国際機関からの31名を含む80名の参加があった。会合では、原子炉への適用、粗混合、伝播/トリガー、実験、解析コード/モデルの6セッションにおいて36件の論文が発表され、活発な討論が行われた。最後に、(1)格納容器の$$alpha$$モード破損はリスクの観点からは無視可能、(2)前回のサンタバーバラ会合(1993年)以後顕著な進展、(3)今後明らかにすべき研究課題を同定、(4)問題解決促進のため研究グループ間の公開の情報交換を推奨、(5)次回専門家会合を今後3~5年の間に開催することを推奨、を骨子とする会合概要と推薦をとりまとめた。

論文

Study on premixing phase of steam explosion of JAERI

山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; H.Park*; Y.Yang*; 杉本 純

JAERI-Conf 97-011, p.447 - 466, 1998/01

シビアアクシデント時に発生し得る水蒸気爆発の初期条件である粗混合状態を知るためには、溶融物ジェットの分散と細粒化を調べる必要がある。そこで、原研ではALPHA計画において、ジェット分散実験を開始した。現在までに鉛ビスマス合金を飽和水中に落下する実験を2回行い、背後から照明をあてジェットの分裂挙動を高速度カメラで撮影するとともに、水蒸気発生量の時間変化を測定して映像と関連づけた。実験後にはデブリを回収して、その粒子径分布や形状を調べた。この実験を、原研で開発中のJASMINEコードにKelvin-Helmholtz不安定性に基づくジェットの分裂モデルを入れて解析したところ、ジェットの沈降速度を測定より遅く予測した。また、水蒸気発生量の予測値は水プール内の初期水温分布に強く依存することが示され、実験において計測を強化する必要があることが明らかになった。

論文

The Effect of system constraint on coolant injection mode of energetic fuel-coolant interactions

Park, H.; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Yang, Y.; 杉本 純

第35回日本伝熱シンポジウム講演論文集,3, p.803 - 804, 1998/00

温度範囲55$$^{circ}$$Cから飽和温度近傍までの冷却水を初期温度2500$$^{circ}$$Cのテルミットに注入する場合のFCIの強度に対する系の拘束の影響を実験によって調べた。実験で測定された機械的エネルギーは、系の拘束が弱いときは冷却水のサブクール度の増加とともに増加したが、拘束が強い系では逆に減少した。これにより、FCIによる機械的エネルギー発生は時間スケールの短い溶融物の細粒化による混合の促進と、時間スケールの長い溶融物細粒の冷却という、2つの異なる時間スケールの現象により支配されていることがわかった。

論文

Experiment and analysis on in-vessel debris coolability in ALPHA program

丸山 結; 山野 憲洋; 森山 清史; H.S.Park*; 工藤 保; Y.Yang*; 杉本 純

JAERI-Conf 98-009, p.100 - 106, 1998/00

テルミット反応により生成したアルミナを溶融炉心として用いた圧力容器内溶融炉心冷却性実験を事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画において実施した。実験では、アルミナ30kgまたは50kgを下部ヘッド試験体に投下した。試験体温度履歴は、固化したアルミナと試験体壁との間にギャップが形成され、冷却水が浸入したことを示唆した。実験後の超音波を利用した測定においても、ギャップの存在を確認した。原研で開発しているCAMPコードを実験後解析に適用し、試験体壁、アルミナの温度履歴等に及ぼすギャップの影響を検討した。今後、溶融炉心の崩壊熱及び下部ヘッドのクリープ変形を考慮した実験を実施する計画である。

論文

Study on subcooled water injection into molten material

Park, H.; 山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; Y.Yang*; 杉本 純

Proc. of 11th Int. Heat Transfer Conf. (Heat Transfer 1998), 6, p.69 - 74, 1998/00

CI(Coolant Injection)モードのFCIの強さに対する冷却水ジェットのサブクール度、運動エネルギー及び系の拘束の影響を実験により調べた。測定された機械的エネルギーは、系の拘束が弱いときは冷却水のサブクール度の増加とともに増加したが、拘束が強い系では逆に減少した。また、冷却水の速度の増加とともに増加した。この結果は溶融物内での冷却水ジェットの貫入と分散がFCIの強度を決める重要な要素であることを示唆する。現象の基礎的な物理を理解し、実験における粗混合条件を推定するために、非沸騰・等温系でジェットをプールに注入する可視化実験を行い、また数値シミュレーションを行った。

論文

Effect of water jet dynamics in the coolant injection mode of fuel-coolant interactions

H.S.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Y.Yang*; 杉本 純

Proc. of 1998 ASME/JSME Joint Pressure Vessels and Piping Conf., 362, p.49 - 56, 1998/00

冷却水が強制的にテルミット溶融物に注入される場合(Coolant Injection (CI) mode)のFCIの強さに対する冷却材ジェットの運動エネルギーの影響を調べるために6ケースの実験を行った。注入圧0.15MPaの場合、強いFCIは見られなかった。注入圧を0.5MPaまで増加させるとFCIによる機械的エネルギーは注入圧に線形に5kJまで増加する傾向を示した。冷却水ジェットの運動エネルギーが増加すると粗混合が促進され、このためFCIがより激しくなると考えられる。非沸騰・等温系での可視化基礎実験を行い、得られた相関式で評価すると、冷却材ジェットは溶融物層の底まで到達し、残った運動量により溶融物と冷却材の混合が促進されたと考えられる。

論文

Penetration of isothermal plunging jet into denser liquid

H.Park*; 山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; Y.Yang*; A.R.Antariksawan*; 杉本 純; 藤井 貞夫*

Proc. of 4th KSME-JSME Fluids Engineering Conf., p.581 - 584, 1998/00

等温非沸騰での液体ジェットの液体プールへの貫入挙動を実験及び数値解析により調べた。実験では、直径10mm、流入速度3~9m/sの水ジェットを、2D及び3D形状の水、フロリナート、アナトミカル合金のプールに注入した。プールの深さは150~200mm、ジェットとプールの密度比は1~9.4である。ジェットのプール表面への衝突、貫入により空洞が形成され、底部ではジェット及び巻き込まれた空気が水平方向に拡がる様子が観察された。また、空気とプール液体の界面で不安定波が見られた。CIP法に基づく数値解析モデルでこのような挙動を再現できた。ジェットの貫入深さについて、実験結果からFroud数と密度比を用いた相関式を得た。

論文

Study on energetic fuel-coolant interaction in the coolant injection mode of contact

H.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Y.Yang*; 杉本 純

Proc. of 6th Int. Conf. on Nucl. Eng. (ICONE-6)(CD-ROM), 12 Pages, 1998/00

冷却材注入(CI)モードの溶融物冷却材相互作用(FCI)実験を7ケース行い、冷却材のサブクール度がFCIの強さに及ぼす影響を調べた。FCIによる機械的エネルギー放出量は冷却材サブクール度を2Kから45Kまで増加させたとき、ほぼ0から0.6kJまで増加する傾向を示した。エネルギー変換率もこれとともに増加し、また、デブリの平均粒径は減少した。冷却材をスプレー状にして注入した場合、FCIのエネルギーは小さかった。冷却材のサブクール度が大きい場合ジェットは溶融物により深く貫入し、良好な粗混合条件を作り、強いFCIをもたらすと考えられる。非沸騰・等温系で行った可視化実験から得られた相関式により評価すると、実験では冷却材ジェットが溶融物層の底に着いた後、さらに残った運動量により溶融物と冷却材の混合が促進されたと考えられる。

論文

Interaction between high speed water jet and quiescent high temperature melt pool

H.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Y.Yang*; 杉本 純

Proceedings of 1st Korea-Japan Symp. on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS 98), 8 Pages, 1998/00

冷却材と高温溶融物とのさまざまな接触形態における溶融炉心/冷却材相互作用(FCI)を明らかにするために、原研の事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画においてMUSE実験を実施している。MUSE実験の最初のシリーズでは、テルミット反応により生成した高温溶融物上に冷却材としての水をジェット状に衝突させる実験及び両者を層状に接触させる実験を行った。FCIにより発生する機械的エネルギーを正確に計測することにより、FCIに及ぼす水ジェットのサブクール度、ジェットの速度、ジェットの形状及び系の拘束条件の影響を検討した。系の拘束条件が弱い場合には、水のサブクールの増加とともに発生機械的エネルギーが大きくなり、拘束条件が強い場合には、逆に機械的エネルギーが減少することが観測された。また、ジェットの速度が大きくなると、機械的エネルギーが増加した。これらの結果は、実験における水と高温溶融物との接触形態では、水ジェットの浸入と分散挙動が両液体の混合状態に影響し、FCIにおいて重要な役割を果たすことを示唆している。

論文

シビアアクシデント研究に関するCSARP計画の成果

杉本 純; 橋本 和一郎*; 山野 憲洋; 日高 昭秀; 丸山 結; 上塚 寛; 更田 豊志; 中村 武彦; 早田 邦久; 片西 昌司*

日本原子力学会誌, 39(2), p.123 - 134, 1997/02

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

日本原子力研究所は1982年以来、米国原子力規制委員会(NRC)が主催するシビアアクシデント研究に関するCSARP(旧称SFD)計画に参加し、原子炉を用いた大規模実験のデータやNRCが開発した解析コード等を入手してきた。また、入手するデータを分析・評価し、解析コードを検証するため、原研でも事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画などの実験を実施するとともに、原研独自の解析コードの開発を進めてきた。本稿では、これまでのCSARP計画で得られた主な成果を中心に、CSARP計画の概要、我が国への反映と貢献について解説する。

論文

シビアアクシデントに関する熱流動研究の最近の動向

成合 英樹*; 杉山 憲一郎*; 片岡 勲*; 三島 嘉一郎*; 菊地 義弘*; 門出 政則*; 杉本 純; 山野 憲洋; 日高 昭秀; 長坂 秀雄*; et al.

日本原子力学会誌, 39(9), p.739 - 752, 1997/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.47(Nuclear Science & Technology)

シビアアクシデント時の熱流動は、冷却材喪失事故(LOCA)などに見られる蒸気・水二相流現象に比べ、炉心の大幅な損傷や溶融が伴うことから、溶融炉心と冷却材の相互作用、溶融炉心とコンクリートの反応、水蒸気雰囲気中での核分裂生成物(FP,Fission Product)ガスやエアロゾル、可燃性ガス(水素)の一次系や格納容器内での挙動など、一般に多成分・多相流が関与するとともに、現象として極めて複雑・多様であることに大きな特徴がある。本稿では、重要なシビアアクシデント過程、及び主要な熱流動挙動について概説するとともに、圧力容器内の蒸気爆発、格納容器内の蒸気爆発、エアロゾル挙動、及び解析コードについて、熱流動の観点から詳述している。

報告書

Reviews of experimental studies on various geometrical contact modes of vapor explosions

H.-S.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; 工藤 保; 杉本 純

JAERI-Review 96-018, 46 Pages, 1996/11

JAERI-Review-96-018.pdf:1.99MB

原子炉のシビアアクシデントにおいて問題となっている現象のひとつである水蒸気爆発は、一般に3つの接触モード、すなわち溶融物落下、層状および注入(溶融物注入及び冷却材注入)モードに分類される。この中で溶融物落下モードは最も重要視され、多くの研究が行われてきた。しかし他のモードはこれまであまり注目されていない。本報告は、主に層状と注入モードの水蒸気爆発についての実験的知見を整理し、さらに研究を必要とする分野を見つけることを目的としたレビューである。理論的モデルが確立されていない現状において、実験から実機条件へのスケーリングを行うために実験的な視点からの方法を開発することが重要である。初期及び境界条件をよく制御し、直接機械的エネルギー発生を測定できる実験装置で、多様な接触モードの水蒸気爆発実験を行うことが望ましい。

報告書

蒸気爆発進展過程における膜沸騰の崩壊挙動に関する研究

八木 理公*; 安部 豊*; 安達 公道*; 小林 朋能*; 山野 憲洋; 杉本 純

JAERI-Research 96-032, 152 Pages, 1996/06

JAERI-Research-96-032.pdf:4.05MB

熱的デトネーションモデルに基づく蒸気爆発進展過程の予備的シミュレーションを行った結果、膜沸騰を崩壊させるために必要となる蒸気爆発素過程の移行条件としての圧力条件が蒸気爆発発生の有無に極めて重大な影響を及ぼすことを明らかにした。そこで、高温の炭素鋼球またはステンレス鋼球表面上に膜沸騰を形成させ、圧力波による強制的な膜沸騰の崩壊挙動を観察し、膜沸騰崩壊条件に関する基礎的な実験を実施した。特にステンレス鋼球の実験の場合、鋼球表面温度は圧力波の通過により急激に降下し、圧力波が通過した直後の鋼球の表面温度変化から、膜沸騰の崩壊挙動が膜沸騰の非崩壊、崩壊、崩壊後再発生の3パターンに分類できることを確認した。また、本実験条件の範囲においては膜沸騰の崩壊させるのに必要となる圧力が鋼球の初期温度に強く依存することを確認した。

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