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論文

Improvement of steam generator tube failure propagation analysis code LEAP for evaluation of overheating rupture

内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(2), p.201 - 209, 2019/02

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

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無を評価することが重要な課題となっている。本研究では、既存の伝熱管破損伝播解析コードにおいて高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析手法を開発した。液体ナトリウム中水蒸気噴出試験を解析し、同解析手法の適用性を確認した。

報告書

蒸気発生器における伝熱管破損時長時間事象進展解析コードLEAP-IIIの開発

内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之

JAEA-Research 2017-007, 61 Pages, 2017/07

JAEA-Research-2017-007.pdf:4.3MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器に対する安全評価では、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが必要である。既往研究において、ウェステージ型破損伝播を伴う長時間事象進展解析コードLEAP-IIが開発されたが、将来炉の新型SGでは水・蒸気系の高温・高圧化が指向されていることから、高温ラプチャ型破損伝播も評価対象に含めることが重要な課題となっている。そこで、本研究では高温ラプチャの発生有無を評価する解析モデルを構築し、LEAP-IIコードへ導入した。本解析モデル導入後の解析コードをLEAP-IIIとした。本解析モデルの機能確認として、伝熱管群の存在する体系におけるナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施した。本解析では水リーク管周辺における模擬伝熱管で高温ラプチャが発生する結果が得られ、解析モデルが正しく機能し、なおかつ保守的な評価結果を与えることを確認した。

論文

Reactive wetting by liquid sodium on thin Au plating

河口 宗道; 浜田 広次

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(2), p.201 - 207, 2014/02

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

ナトリウム中目視検査の実用化のためにナトリウム濡れ性の振る舞いについて研究した。ナトリウム濡れ性のシミュレーションのために、液体ナトリウムによる金属メッキに対する非反応性濡れ及び反応性濡れのモデル化を行った。非反応性濡れのシミュレーション結果はタナー則とよく一致した。また、反応性濡れのシミュレーションについては、非反応性濡れのモデルに界面反応により誘起される流速をモデル化した。反応性濡れのシミュレーション結果は、先行薄膜や液滴中央部の振る舞いについて250$$^{circ}$$Cの薄い金メッキを使ったナトリウム濡れ性の実験とよく一致しており、反応性濡れのシミュレーションでは、反応エネルギーの勾配は3重点近傍の新しい界面で現れ、流速が誘起されることが重要であることがわかった。

論文

高速炉蒸気発生器の伝熱管破損時事象に対する解析評価手法の開発

内堀 昭寛; 菊地 晋; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之

日本機械学会論文集,B, 79(808), p.2635 - 2639, 2013/12

高速炉蒸気発生器の伝熱管破損時事象に対し、複数の数値解析コードから構成されるマルチフィジックス解析評価システムを開発している。本件では、システムの構成要素の一つであるSERAPHIMコードの液滴エントレインメント・輸送モデル、及び、TACTコードの流体-構造熱的連成解析モデル、破損判定モデルの基本検証解析を実施した。液滴エントレインメント・輸送モデルの検証では、液滴発生時の圧力変動に関する実験データの再現性を確認した。流体-構造熱的連成解析モデルの検証では、円筒を過ぎる流れの問題において円筒表面の温度分布を概ね良好に再現できることを確認した。また、内圧の負荷された伝熱管が急速加熱された場合に生じる破裂発生時刻を、破損判定モデルにより高い精度で予測できた。それぞれのモデルの妥当性を確認し、本解析評価システムにより伝熱管破損時事象を評価できる見通しを得た。

論文

Multiphysics analysis system for tube failure accident in steam generator of sodium-cooled fast reactor

内堀 昭寛; 菊地 晋; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之

Proceedings of 21st International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-21) (DVD-ROM), 6 Pages, 2013/07

高速炉蒸気発生器の伝熱管破損時事象を評価するため、機構論に基づくマルチフィジックス評価システムを開発した。本システムは、ナトリウム側の反応ジェット挙動及びウェステージ環境を評価するSERAPHIMコード、流体から伝熱管への熱移行と伝熱管構造部の温度・応力評価及び破損判定を行うTACTコード、伝熱管内水流動を評価するRELAP5コードから構成される。SERAPHIMコードについては、ウェステージ環境評価モデルとして酸化ナトリウム生成・輸送モデルを構築した。TACTコードについては、伝熱管構造部の温度・応力解析モデル、流体-構造熱的連成解析モデル、ウェステージモデル、破損判定モデルを構築した。RELAP5コードについては、実機SGにおける伝熱管急速加熱条件に対して伝熱相関式を改良し、高温ラプチャ評価上の過度な保守性を排除した。以上により、隣接伝熱管の周囲に形成されるウェステージ環境や、伝熱管への熱移行並びに破損伝播発生の有無を評価可能とした。

報告書

SG水側流動不安定解析手法の検討

吉川 龍志; 浜田 広次; 大島 宏之; 柳沢 秀樹*

JAEA-Research 2008-058, 29 Pages, 2008/06

JAEA-Research-2008-058.pdf:1.31MB

日本原子力研究開発機構では、高速増殖炉実用化に向けて、直管型2重伝熱管を用いた大型ナトリウム炉の蒸気発生器に対する研究開発を行っている。その一環として、蒸気発生器水側の流動安定性を実験的及び解析的に評価している。この報告書では、蒸気発生器水側の流動安定性を対象とした数値解析手法を検討した。数値解析では、均質流モデルを用いて単一伝熱管流動不安定性解析コードを作成した。密度波不安定流動に対する出入口圧力,熱流束を境界条件として与えて、入口流量を計算するアルゴリズムを確立した結果、均質流モデルで単一伝熱管流動不安定性を解析できることを確認した。精度向上のため、基礎式にサブクール沸騰及び二相流スリップ効果を取り込むことができるドリフトフラックスモデルを検討し、ドリフトフラックスモデルによる単一伝熱管流動不安定性解析コードを作成した。そして密度波不安定流動に対する境界条件及び解析アルゴリズムを利用して、ドリフトフラックスモデルでの不安定性解析機能を確認した。

報告書

Na-水反応における界面積濃度モデルの構築

吉川 龍志; 大島 宏之; 浜田 広次; 栗原 成計; 内堀 昭寛

JAEA-Research 2008-055, 24 Pages, 2008/06

JAEA-Research-2008-055.pdf:3.19MB

ナトリウム-水反応の影響を解析的に評価するために、現在日本原子力研究開発機構では、開発した多成分・多相流解析コードSERAPHIMを用いてナトリウム-水反応現象の伝熱流動研究を行っている。ナトリウム-水反応現象の詳細を把握するためには、ナトリウムと水蒸気の混合過程や発生した気体のボイド率分布等、ガスジェットの挙動に関する知見を得る必要がある。特にナトリウム-水反応を正確に解析するために、水蒸気中にナトリウム液滴の界面積濃度モデルを確立する必要がある。この報告書では、ナトリウムと水蒸気の混合過程を対象としたガスジェットの挙動に関する理論的分析及び解析モデルを検討した。理論的分析では、既存のジェット流に対する臨界流量,減圧膨張過程及びエントレインメントの評価方法を検討した。17MPa、サブクール水条件下の圧縮性の影響の検討から、臨界流量公式の適用性を確認した。蒸気ジェットにエントレインされた液滴の微粒化に関する既存の理論及び実験成果に基づいて、多相流解析に適用するナトリウム液滴の界面積濃度輸送方程式を構築した。

論文

高速炉蒸気発生器水側熱流動解析手法の開発

吉川 龍志; 浜田 広次; 大島 宏之; 柳沢 秀樹*

第13回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.495 - 496, 2008/06

高速増殖炉の蒸気発生器における詳細な熱流動現象を評価することを目的として、数値解析コードを整備している。その一環として、サブクール沸騰及び二相流スリップ効果を取り込んだドリフトフラックスモデルを用いて、蒸気発生器水側の不安定挙動解析に適用可能な手法を開発した。また、密度波不安定流動に適用する解析アルゴリズムを検討した結果、複雑な行列計算の必要がない、大きい時間ステップが可能である数値方法を考案した。サブクール沸騰モデルについては、定常流動のボイド率分布の計算によりその機能を検証した。さらに、出入口圧力,熱流束を境界条件として与えて、入口流量を計算する流動不安定性解析により、非定常流動の解析機能を確認した。

論文

Development of blow down and sodium-water reaction jet analysis codes; Validation by sodium-water reaction tests (SWAT-1R)

清野 裕; 實 晃司*; 栗原 成計; 小野 功*; 浜田 広次

Proceedings of 13th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-13), 0 Pages, 2005/05

ナトリウム-水反応評価手法高度化の一環として開発しているブローダウン解析コードLEAP-BLOW及びナトリウム-水反応ジェット解析コードLEAP-JETについて検証解析を実施した。その結果、一部定量評価に課題があるものの、概ね妥当な結果を得ることができた。

報告書

炉内ソースターム解析コードTRACER Version 2.3 (マニュアル)

豊原 大輔*; 大野 修司; 松木 卓夫*; 浜田 広次; 宮原 信哉

JNC-TN9520 2004-004, 151 Pages, 2005/01

JNC-TN9520-2004-004.pdf:139.32MB

高速炉の燃料破損時に冷却材ナトリウム中に放出され、カバーガス空間へ移行する核分裂生成物(FP)の種類と量すなわち炉内ソースタームを機構論的に評価するための解析コードとして、TRACER(Transport phenomena of Radio-nuclides for Accident Consequence Evaluation of Reactor)を開発している。 TRACER Version 2.3では、TRACER Version 2.0に対して以下に示すモデル追加・修正を行った。 a) 燃料からのFP放出モデルにBoothモデルを追加 b) 放出FPの気泡及び冷却材への移行モデルを修正 c) 気泡移行挙動モデルの修正 本報告書は、TRACER Version 2.3の使用説明書として、同コードで扱われる計算モデル、インプット、アウトプットについて取りまとめたものである。

報告書

鉛ビスマス及び鉛ビスマス中テルルの平衡蒸発試験

大野 修司; 西村 正弘; 浜田 広次; 宮原 信哉; 佐々 敏信*; 倉田 有司*

JNC-TN9400 2004-072, 52 Pages, 2005/01

JNC-TN9400-2004-072.pdf:2.88MB

鉛ビスマス及び鉛ビスマス中の微量不純物テルルが液相から気相へ蒸発移行する挙動について基礎的な知見やデータを取得するために、それらを対象とする平衡蒸発試験を実施した。試験には、等温加熱された蒸発容器内の飽和蒸気をキャリアガスによって外部細管内に導き捕集する「トランスパイレーション法」を用いた。蒸発容器のサイズは内径8cm、長さ15cmであり、容器内の鉛ビスマスの量は約500gである。試験温度は450$$^{circ}C$$から750$$^{circ}C$$とした。 この試験から、鉛ビスマス蒸気圧、飽和蒸気中のPb、Bi、Bi2の濃度、鉛の活量係数など、鉛ビスマスの蒸発挙動を理解するために必要で利用価値の高いデータを得ることができた。鉛ビスマスの蒸気圧はPb、Bi、Bi2の蒸気分圧の和として、550$$^{circ}C$$から750$$^{circ}C$$の温度範囲においてlogP[Pa]=10.2-10100/T[K]と表される。鉛ビスマス中のテルルの気液平衡分配係数は450$$^{circ}C$$から750$$^{circ}C$$において明確な温度依存性は持たず、その値は10$$sim$$100の範囲である。

報告書

鉛ビスマスのナトリウム中移行挙動予備試験; 反応挙動に及ぼす試験温度と鉛ビスマス量の影響

斉藤 淳一; 佐川 憲彦; 大野 修司; 浜田 広次; 宮原 信哉

JNC-TN9400 2004-059, 133 Pages, 2004/09

JNC-TN9400-2004-059.pdf:6.05MB

高速炉実用化戦略調査研究(フェーズI)では、鉛ビスマスを中間熱媒体として利用する二次系簡素化概念が一つの候補として選定されている。本研究では実用化戦略調査研究(フェーズII)で鉛ビスマスのナトリウム中移行挙動を実験により明らかにすることを目的としている。液体ナトリウム中に液体鉛ビスマスを滴下する試験を試験温度と鉛ビスマス量を変えて実施した。その結果より、試験温度と鉛ビスマス滴下量がナトリウムと鉛ビスマスの反応挙動に及ぼす影響を明らかにした。試験により得られた結果を以下に示す。(1)試験温度が低い方が、ナトリウムと鉛ビスマスが反応し発熱するまでに時間を要する。このことは試験温度がナトリウムと鉛ビスマスの反応挙動に影響していることを示している。(2)鉛ビスマス滴下量はナトリウムと鉛ビスマスの反応により生成する反応生成物の量と種類に影響している。(3)ナトリウムと鉛ビスマスの反応による発熱量は、主に生成しているBiNa$$_{3}$$の生成エンタルピーから算出した生成熱とおおむね一致している。

報告書

ナトリウム-水反応ジェット解析コード(LEAP-JET)の開発 -ナトリウム-水反応試験(SWAT-1R)による検証-

清野 裕; 小野 功*; 浜田 広次

JNC-TN9400 2003-106, 103 Pages, 2004/03

JNC-TN9400-2003-106.pdf:3.68MB

FBR蒸気発生器(SG)の設計基準水リーク(DBL)の選定は、プラントの安全性、経済性等に影響を及ぼす重要事項の一つである。特に大型炉SGのDBL選定に当たっては、Na-水反応事象を高精度で合理的に評価するための計算モデルの確立が必要不可欠となる。大型炉用SGにおいては、近年の設計進捗に伴い、高温ラプチャ型破損伝播事象に対して検討の必要性が示されている。高温ラプチャ挙動は、Na側の反応域温度分布に大きく影響されることから、その評価手法の開発が重要となる。本報では、この目的で開発したNa-水反応ジェット解析コード(LEAP-JET)について、SWAT-1R試験データにより検証し、以下の結果と検討課題が得られた。(1) 現状のLEAP-JETでは、反応速度定数Kの値は0.001$$leq$$K$$leq$$0.1の間にあると言える。(2)Na-水反応による高温領域の拡がり具合、反応消費物(Na、水)及び反応生成物(水素、NaOH、Na2O)の挙動等に関する解析結果は、定性的に妥当と言える。(3)反応ジェットの最高温度やその温度分布(拡がり具合)に関する解析結果は、総じて試験結果より過大に評価する傾向にある。(4)現状のLEAP-JETでは、計算メッシュにおけるナトリウム量がほぼゼロになる場合等に数値計算が不安定になりやすくなる。従って、今後は計算不安定性に係わる原因を解明・解決するとともに、反応速度定数の最適値を求める必要がある。

報告書

蒸気発生器伝熱管の高温ラプチャ型破損評価手法の整備と適用(Ⅳ)

三宅 収; 浜田 広次; 田辺 裕美; 和田 雄作; 宮川 明; 岡部 綾夫; 中井 良大; 広井 博

JNC-TN2400 2003-003, 225 Pages, 2004/02

JNC-TN2400-2003-003.pdf:40.45MB

高速増殖炉の蒸気発生器における伝熱管破損事故(ナトリウム-水反応事故)の評価に関連して、事故発生時の高温ラプチャ型破損による隣接伝熱管への破損伝播の有無に係る評価手法を整備した。また、この評価手法を用いて「もんじゅ」蒸気発生器伝熱管の健全性を評価した結果について整理した。

論文

Analysis of Overheating Rupture in Heat-Transfer Tubes Causing Corrosive High-Temperature Reaction

浜田 広次; 浜田 広次; 田辺 裕美

Journal of Nuclear Science and Technology, 41(6), 665 Pages, 2004/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:88.5(Nuclear Science & Technology)

中規模の水漏えいに伴うNa-水反応ジェットの影響を受けた伝熱管の高温ラプチャ解析を行い、それを実験データと比較することにより,以下の結論を得た。ガス加圧管の破損挙動は、実験条件に依存して、クリープ破損とクリープを伴う延性破損の2通りに分類できる。薄肉の伝熱管では、主に延性により数十秒以下で破損するが、厚肉の伝熱管では、クリープにより1分オーダで破損する。後者の条件では、ウェステージによる減肉が重要になる。実験と解析の破損時刻を比較すると、クリープ破損では実験より35$$sim$$50%、クリープを伴う延性破損では20$$sim$$50%早く評価しており、解析は保守側である。クリープ破損では、時間係数を1.5$$sim$$2とした場合に実験との破損時刻が良く一致し、実機評価における時間係数3に対しては、1.5$$sim$$2倍の裕度がある。高温ラプチャ評価手法をNa-水反応実験に適用することで、解析モデルの保守性および妥当性を確認した。

論文

反応熱を伴う高温液体金属二相噴流の伝熱特性

浜田 広次; 栗原 成計

日本原子力学会和文論文誌, 3(1), p.44 - 50, 2004/00

Na-水反応ジェットの伝熱現象を検討し、実効熱率伝達率の相関式を導出した。それを実験データと比較することにより、以下を考察した。実効熱伝達率に相当する上限が存在する。Na単相流の熱伝達率は水素ガスに比べて十分大きいことから、Na温度とボイド率の関数として近似すると、熱流束および熱効熱伝達率の挙動をうまく説明できる。Na温度の上限は、圧力依存を有する沸点となる。水素ガス温度はNa温度より高くなり、その差は最大で数百度である。Naと水素ガスの温度差に起因して、みかけの実効熱伝達率は小さくなる。伝熱管の外壁面が高温の水素ガスにさらされても、熱伝性に優れるNaの冷却効果のために、外壁面温度はNa温度を上回ることはない。

論文

STUDY OF THERMAL INFLUENCE ON TUBES DUE TO SODIUM-WATER REACTIONS IN LMFBR STEAM GENERATOR

浜田 広次; 浜田 広次; 栗原 成計; 西村 正弘

Proceedings of 12th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-12) (CD-ROM), 0 Pages, 2004/00

Na-水反応ジェットの伝熱現象を検討して、実効熱伝達率の相関式を導出し、実験と比較することで、以下を考察した。実効熱伝達率にはNa単相流の熱伝達率に相当する上限が存在する。Na単相流の熱伝達率は水素に比べて十分大きいため、Na温度とボイド率の関数として近似すると、熱流束及び実効熱伝達率の挙動を説明できる。Na温度の上限は、圧力依存を有する沸点となる。水素はNaより温度が高くなり、その差は最大で数百$$^{circ}C$$である。Naと水素の温度差に起因して、みかけの実効熱伝達率は小さくなる。伝熱管が高温の水素にさらされても、伝熱性に優れるNaの冷却効果のために、外壁面温度はNa温度を上回ることはない。金相観察による温度とモデルを比較して妥当性を確認した。

報告書

鉛ビスマスのナトリウム中移行挙動予備試験

斉藤 淳一; 高井 俊秀; 佐川 憲彦; 大野 修司; 浜田 広次; 宮原 信哉

JNC-TN9400 2003-057, 87 Pages, 2003/06

JNC-TN9400-2003-057.PDF:24.73MB

高速炉実用化戦略調査研究(フェーズI)では、鉛ビスマスを中間熱媒体として利用する二次系簡素化概念が一つの候補として選定されている。本研究では実用化戦略調査研究(フェーズII)で鉛ビスマスのナトリウム中移行挙動を実験により明らかにすることを目的とする。二次系簡素化の成立性を評価するための基礎データを取得する。摂氏400度で液体ナトリウム中に液体の鉛ビスマスを滴下する試験を2回実施している。以下の結果が得られている。(1)L1-1試験およびL1-2試験後のICPによる分析結果から、ナトリウム中の鉛濃度はビスマス濃度よりも高くなっている。ナトリウム中の鉛の溶解量はビスマスのそれよりも多いことを示している。これらの結果は従来の溶解度の測定結果と一致する。また、残渣中にはビスマスが最も多く含まれていることがわかった。(2)ナトリウム中に鉛ビスマスが滴下するとナトリウム液温は上昇する。装置の各部の温度変化から算出した総発熱量は、L1-2試験で137kJ/mol-LBEである。これらの反応熱はリーク検出に応用できる可能性がある。(3)L1-1試験およびL1-2試験後、ナトリウム中に黒い粒状固形物(反応生成物)が観察された。サンプリングフィンガー内の反応生成物を観察した結果、反応生成物は上部で5$$sim$$10$$mu$$m程度の微細な粒状である。下部では50$$sim$$100$$mu$$m程度の大きさである。(4)EDXによる成分分析の結果、反応生成物の主な構成元素はナトリウムとビスマスである。XRDによりBiNa3金属間化合物の回折ピークが検出されている。主要な反応生成物はBiNa3といえる。XRDによりPb4Na15の回折ピークも検出されている。しかしながら、SEMにおいてPb4Na15は観察できていない。さらに、これらの試験および分析結果より、鉛ビスマスのナトリウム中への移行挙動モデルを提案する。

報告書

蒸気発生器伝熱管破損解析コードの開発(II); ナトリウム側伝熱モデルの改良

浜田 広次; 栗原 成計

JNC-TN9400 2003-031, 96 Pages, 2003/05

JNC-TN9400-2003-031.pdf:3.34MB

蒸気発生器水リーク時の高温ラプチャ型破損に対する伝熱管の構造健全性を合理的に評価するために、ナトリウム-水反応ジェットが隣接伝熱管に及ぼす熱的な影響を検討し、新伝熱モデル等の開発と適用解析を実施した。本報で得られた主な成果を以下にまとめる。(1)反応ジェットにさらされたターゲット伝熱管における熱流束および熱伝達率の詳細評価手法を開発した。本手法を用いると、従来のモデルと比較して熱流束を現実的に評価できることを確認した。 (2)反応ジェットと伝熱管の間の伝熱特性を二相流モデルで理論的に検討し、伝熱特性に及ぼすカバーガス圧力と流体温度の影響を考慮した新伝熱モデルを開発した。本モデルにより、合理的な実験整理式およびSWAT-1R等試験データに基づく実験係数の暫定値を導出することができた。(3)高温ラプチャ解析コードTRUEに新伝熱モデル等を反映し、SWAT-3等のナトリウム-水反応試験データにより、モデルの保守性を確認した。(4)新伝熱モデルによる英国大リーク事故への適用解析では、従来の解析結果と大きく異ならないこと、すなわち、伝熱管内の減圧特性の重要性を確認できた。(5)新伝熱モデル等による「もんじゅ」蒸発器への適用解析では、従来の解析結果が十分保守的であり、現実的には累積損傷の最大値が25%程度低減できる見通しであることを確認した。

論文

異常高温時の内圧負荷を受ける伝熱管の破裂挙動に関する研究

浜田 広次; 栗原 成計

日本原子力学会和文論文誌, 2(1), p.32 - 38, 2003/01

TRUST-2を用いた2.1/4Cr-1Mo鋼伝熱管の急速破損模擬実験と解析を行い,以下の結論を得た。(1)伝熱管の破損挙動は、延性破損,クリ-プ破損、クリ-プを伴う延性破損の3パタ-ンに分類できる。(2)実験と解析の破損発生時刻を比較すると、クリ-プ破損では実験より35$$sim$$50%、クリ-プを伴う延性破損では25$$sim$$45%早く評価しており保守側である。延性破損では実験と解析の破損発生時刻は漸近するが、解析は約10%程度早く評価している。(3)延性破損では、解析は実験の破損温度を100$$^{circ}C$$程度低く計算しており保守側の評価となる。(4)クリ-プ破損では、実験の破損時間と一致するのは解析の時間係数を約1.5$$sim$$2とした場合であり,実機評価における時間係数3に対しては、約1.5$$sim$$2倍の裕度がある。

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