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論文

Development of under sodium viewer for next generation sodium-cooled Fast reactor; Imaging test in sodium

相澤 康介; 近澤 佳隆; 荒 邦章; 由井 正弘*; 神納 健太郎*; 平松 貴志*

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 7 Pages, 2019/05

ナトリウム冷却炉において、不透明な液体金属中の可視化技術は重要な課題である。障害物を検知する水平型ナトリウム中可視化装置及び画像化を可能とするナトリウム中可視化装置が各機関で研究開発が進められてきた。既往の研究開発では、受信センサとして圧電素子を用いていた。本研究では、高解像度が期待できる光受信方式を採用したナトリウム中可視化装置の実用化を目指す。光受信方式は、薄膜の振動変位をレーザにより検知するものである。今回は、受信センサの性能向上に着目した開発を行う。受信センサの性能向上の課題は、受信センサ内部での音響伝播が課題である。この課題を解決するため、水中及びナトリウム中での試作試験を実施した。また、改良した受信センサを用いて水中及びナトリウム中を実施した。画像化試験結果より、受信波形と再生画像の関係を確認した。

論文

Estimation of mitigation effects of sodium nanofluid for SGTR accidents in SFR

市川 健太*; 神田 大徳; 吉岡 直樹*; 荒 邦章; 斉藤 淳一; 永井 桂一

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 6 Pages, 2018/07

ナトリウム自身の反応抑制の研究は、液体ナトリウム(ナトリウムナノ流体)中へのナノ粒子分散の概念に基づいてなされた。ナトリウムナノ流体の実験結果から、ナノ流体の水反応の反応速度と反応熱量はナトリウムのそれらより低いことが明らかになった。ナトリウムナノ流体-水反応ジェットのピークの温度の解析モデルは、われわれによって前述の抑制効果を考慮して開発された。本論文では反応ジェットのピークの温度予測に、この解析モデルを適用し蒸気発生器伝熱管断裂(SGTR)事故の隣接した伝熱管損傷の緩和効果の予測方法を準備した。ナトリウムナノ流体がナトリウム高速炉の2次系冷却材のために使われるとして、設計基準事故事象の緩和効果とSGTRの設計拡張状態をこの方法を用いて推定した。その結果、2次系冷却材でナトリウムナノ流体を用いて損傷を受けた伝熱管の数を減らし、SGTR事故によって発生する圧力を抑制する可能性が得られた。

論文

Application of ultrasonic flowmeter for LBE flow

大林 寛生; 平林 勝; 佐々 敏信; 荒 邦章

NEA/CSNI/R(2017)2 (Internet), p.188 - 194, 2017/06

日本原子力研究開発機構では、溶融鉛ビスマス合金を核破砕ターゲット材及び冷却材として用いた加速器駆動システム(ADS)を提案している。ADSの実現に向け、J-PARCではADS構造材の照射データの取得を主目的として、ADSターゲット実験施設(TEF-T)の実現に向けた研修開発を実施している。溶融鉛ビスマスターゲットの運用において、陽子ビームが入射するターゲット容器ビーム窓の健全性確保がTEF-Tの成立に係る重要な要素のひとつである。本件では、施設運転期間中にビーム窓冷却性能を担保する上での必須パラメータである溶融鉛ビスマス冷却材の流量を監視するための超音波流量計の開発状況について、実計測例を交えて報告する。

論文

Development of under sodium viewer for next generation sodium-cooled fast reactors

相澤 康介; 近澤 佳隆; 荒 邦章; 由井 正弘*; 植本 洋平*; 黒川 正秋*; 平松 貴志*

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Next Generation Nuclear Systems for Sustainable Development (FR-17) (USB Flash Drive), 9 Pages, 2017/06

ナトリウム冷却高速炉では、不透明なナトリウム中の検査が重要な課題の一つである。世界各国の機関において、長距離から障害物の有無を検出する目的とした水平USV(ナトリウム中可視化す装置)、短距離または中距離から可視化を目的とした画像化USVが開発されてきた。本研究では、約1mの距離から画像化を目的としたUSVを開発した。本研究では、受信センサとして、ダイアフラムの振動を光学的に検知するシステムを採用した。本研究では、主に受信センサ及び送信センサの感度向上を目指し、かつ改良した受信センサ及び送信センサを用いた水中画像化試験を実施した。試験の結果、改良センサを用いることで従来より高解像度の画像を得られることを明らかになった。

論文

Development of plug-in type ultrasonic flowmeter for lead-bismuth spallation target system

大林 寛生; 平林 勝; 佐々 敏信; 荒 邦章

Proceedings of 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-11) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2016/10

The purpose of this study is to develop a long lasting and a reliable flowmeter for a lead-bisbuth eutectic alloy (LBE) target system. To measure the flowrate of high temperature liquid metal, JAEA has been developed a special flow-monitoring device using ultrasonic. To overcome the limitation of temperature, we tried to apply the lithium niobate crystal. It is also known that the output signal from lithium niobate is poor. So, we made modification to the sensor arrangement to realize the effective signal transmission and the developed system works poor signal condition hence it can use lithium niobate. And we realizes a very high heat resistance up to 500$$^{circ}$$C. To increase the wettability, high chromium steel was selected as a plug into LBE. As a result of competitive examination with calibrated electromagnetic flowmeter (EMF), the measured value obtained by ultrasonic flowmeter showed good agreement with the data taken by EMF and theoretical flowrate determined by electromagnetic pump. The durability test over 4,500 hrs was also performed. As a result, our developed ultrasonic flowmeter measuring system satisfactory results with error of less than 3% in high temperature and flowing LBE environment.

論文

The Promising features of new nano liquid metals; Liquid sodium containing titanium nanoparticles (LSnanop)

伊丹 俊夫*; 斉藤 淳一; 荒 邦章

Metals, 5(3), p.1212 - 1240, 2015/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:89.5(Materials Science, Multidisciplinary)

新しい種類の分散液体は、電子顕微鏡観察により決めたチタンナノ粒子(10nm)を液状ナトリウム中に分散することによって開発された。体積分率は、分析されたチタン濃度(2%)からチタンとナトリウムの密度の0.0088であると見積もられた。この分散液体(チタンナノ粒子を含む液体ナトリウム)の多くの顕著な特徴は、少量のチタンナノ粒子にもかかわらず、原子量のための理想溶液からの3.9%の負の偏差、17%の表面張力の増加、11%の水との反応熱量の減少、そして、水と酸素との化学的反応性の抑制である。水への反応熱の低下はLSnanopの過剰な凝集エネルギーの存在に起因すると思われる。過剰な凝集エネルギーは遮蔽効果に特に重点を置いて、簡単な理論的な分析に基づいて議論した。反応の抑制は、水に対する反応熱の低下や過剰な凝集エネルギー、表面張力、チタン酸化物のプラグとしての役割、LSnanopの表面の負の吸着及び浸透に関連して議論された。

論文

The Preparation, physicochemical properties, and the cohesive energy of liquid sodium containing titanium nanoparticles

斉藤 淳一; 伊丹 俊夫; 荒 邦章

Journal of Nanoparticle Research, 14(12), p.1298_1 - 1298_17, 2012/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:79.27(Chemistry, Multidisciplinary)

Liquid sodium containing titanium nanoparticles (LSnanop) of 10 nm diameter was prepared by dispersing titanium nanoparticles (2 at.% Ti) into liquid sodium with the addition of stirring and ultrasonic sound wave. The titanium nanoparticles themselves were prepared by the vapor deposition method. This new liquid metal, LSnanop, shows a remarkable stability due to the Brownian motion of nanoparticles in liquid sodium medium. In addition, the difference of measured heat of reaction to water between this LSnanop and liquid sodium indicates the existence of cohesive energy between the liquid sodium medium and dispersed titanium nanoparticles. The origin of the cohesive energy, which serves to stabilize this new liquid metal, was explained by the model of screened nanoparticles in liquid sodium. In this model negatively charged nanoparticles with transferred electrons from liquid sodium are surrounded by the positively charged screening shell, which may inhibit the gathering of nanoparticles by the "Coulombic repulsion coating". The atomic volume of LSnanop shows the shrinkage from the linear law, which also suggests the existence of cohesive energy. The viscosity of LSnanop is almost same as that of liquid sodium. This behavior was explained by the Einstein equation. The surface tension of LSnanop is 17% larger than that of liquid sodium. The cohesive energy and the negative adsorption may be responsible to this increase. Titanium nanoparticles in liquid sodium seem to be free from the Coulomb fission. This new liquid metal containing nanoparticles suggests the possibility to prepare various stable suspensions with new properties.

論文

Chemical reactivity suppression of liquid sodium by suspended nanoparticles

斉藤 淳一; 荒 邦章

Transactions of the American Nuclear Society, 107(1), p.433 - 436, 2012/11

高速炉の冷却材として使われている液体ナトリウムは優れた冷却材特性を有しているが、一方で酸素や水との化学的反応が活性であるという欠点を有している。本研究では、液体ナトリウムにナノメートルサイズの超微粒子を分散させ、分散したナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用して、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制することを目的としている。ナノ粒子とナトリウムの理論計算により相互作用が大きくなることを明らかにするとともに、原子間相互作用に起因して物性が変化することを明らかにした。さらに、物性の変化により、化学的特性も変化することを実験により確認した。

論文

The Sodium oxidation reaction and suppression effect of sodium with suspended nanoparticles; Growth behavior of dendritic oxide during oxidation

西村 正弘; 永井 桂一; 小野島 貴光; 斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*

Journal of Nuclear Science and Technology, 49(1), p.71 - 77, 2012/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:64.33(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム燃焼の初めのステージの酸化は、反応の継続性の観点から重要である。この研究では、さらなる高速炉の安全性向上のためのナトリウム反応の知見に適用するために、詳細にナトリウムの反応を理解することを目的としている。

論文

Electromagnetic pumps for main cooling systems of commercialized sodium-cooled fast reactor

相澤 康介; 近澤 佳隆; 小竹 庄司; 荒 邦章; 相澤 利枝*; 大田 裕之*

Journal of Nuclear Science and Technology, 48(3), p.344 - 352, 2011/03

 被引用回数:8 パーセンタイル:34.47(Nuclear Science & Technology)

本研究では、多気筒型電磁ポンプのナトリウム冷却大型炉への適合性を検討した。大型電磁ポンプは流動不安定が生じる。多気筒型電磁ポンプは、小型電磁ポンプを並列に配置し、一基あたりの流量を小さくすることができ、流動不安定の問題を解決できる。1次系と2次系の主循環ポンプに適合する多気筒型電磁ポンプを検討した。1次系電磁ポンプに対して設計検討と電磁気解析を実施し、運転中に流動不安定が生じないことを確認した。2次系の主循環ポンプに電磁ポンプを採用することで、2次系配管が大幅に簡略化することを示した。これらの結果より、多気筒型電磁ポンプは、ナトリウム冷却大型炉の主循環系に高い適合性があることが示された。

論文

Study on chemical reactivity control of sodium by suspended nanoparticles, 1

荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 永井 正彦*; 吉岡 直樹*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(12), p.1165 - 1170, 2010/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:29.27(Nuclear Science & Technology)

ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用したナトリウムの化学的活性度抑制に関する研究を行っている。ナノ粒子を分散させたナトリウムのナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用の理論計算を行い、原子間相互作用を推定し、基礎物性の試験により検証した。その結果、理論計算からナノ粒子が、ナトリウムと電気陰性度の差が大きい遷移金属の場合、ナトリウム原子とナノ粒子原子の原子間結合が、ナトリウム原子動詞どうしのそれよりも大きく、ナトリウム原子からナノ粒子原子へ電荷移行が生じることが推定された。これらの原子間相互作用の変化を検証するために、ナノ粒子分散ナトリウムの基礎物性の測定をナトリウムと比較して実施した。試験の結果から、表面張力は増大し、蒸発挙動は低下することがわかり、理論推定が検証された。これらの基礎物性の変化は、温度変化や相変化でも確認され、原子間相互作用が高温で維持されていることを示している。

論文

Study on chemical reactivity control of sodium by suspended nanoparticles, 2

荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 永井 正彦*; 吉岡 直樹*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(12), p.1171 - 1181, 2010/12

 被引用回数:10 パーセンタイル:32.4(Nuclear Science & Technology)

ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用したナトリウムの化学的活性度抑制に関する研究を行っている。これまでの研究から、ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用が増大し、基礎物性が変化し、反応抑制の可能性が見いだされた。本報では、反応熱量と反応速度を測定し、反応低減を確認した。さらに、反応挙動の観察から、反応抑制メカニズムを明らかにした。反応抑制効果のプラントで起こる現象への効果を推定、実験により検証した。また、ナノ粒子分散ナトリウムの冷却材としての適用性を検討した。その結果、反応熱量と反応速度が低減しており、ナノ粒子分散による反応抑制が確認された。反応現象の観察及び分析より、ナノ粒子分散ナトリウムとナトリウムの反応挙動の違いは、気相反応にあることがわかり、反応抑制メカニズムの要因は、蒸発速度の低下であることがわかった。ナトリウム-水反応と燃焼反応への反応低減の影響を推定した。燃焼温度の低下、燃焼の停止が観察され、プラントへの効果が試験により確認された。冷却材としての適用性は大きな課題はないことが明らかになった。

論文

A Study of atomic interaction between suspended nanoparticles and sodium atoms in liquid sodium

斉藤 淳一; 荒 邦章

Nuclear Engineering and Design, 240(10), p.2664 - 2673, 2010/10

 被引用回数:9 パーセンタイル:35.9(Nuclear Science & Technology)

ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用してナトリウム自身の化学的活性度を抑制の可能性を探る研究を行っている。ナトリウムと電気陰性度の差が大きい遷移金属をナノ粒子することにより、ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用が大きくなると予測し、理論計算を行った。ナトリウム原子とナノ粒子原子の原子間結合は、ナトリウム原子どうしのそれよりも大きく、ナトリウム原子からナノ粒子原子へ電荷移行が生じることがわかった。原子間結合を検証するために、ナノ粒子が分散したナトリウムを用いて、原子間結合と相関のある基礎物性を調査した。ナトリウムと比べて、ナノ粒子分散ナトリウムの表面張力は増大し、蒸発速度は低減した。このことからナノ粒子とナトリウムの原子間結合の存在を確認した。

論文

Status of engineering design of liquid lithium target in IFMIF-EVEDA

中村 博雄; Agostini, P.*; 荒 邦章; 深田 智*; 古谷 一幸*; Garin, P.*; Gessii, A.*; Giusti, D.*; Groeschel, F.*; 堀池 寛*; et al.

Fusion Engineering and Design, 84(2-6), p.252 - 258, 2009/06

 被引用回数:25 パーセンタイル:10.14(Nuclear Science & Technology)

In IFMIF, target system consists of a target assembly, a Li main loop and a Li purification loop. In this paper, status of the engineering design of the IFMIF Li target system performed in 2007/2008 will be described. Major design requirement is to provide a stable Li at a speed of 10 m/s to 20 m/s. To realize stable Li flow, modification of the backplate with nearly constant radius curvature is applied. 3D thermal-hydraulic analysis of the Li target flow is in progress. By a hot trap, nitrogen concentration shall be controlled below 10 wppm. Tritium concentration shall be controlled by an yttrium hot trap below 1 wppm. The back-plate made of RAFM steel shall be used under intense neutron irradiation (50 dpa/y). To mitigate irradiation damage of the backplate, in-situ annealing up to 600$$^{circ}$$C is considered. To replace the backplate, two design options of the remote handling systems are under investigation.

論文

Study of an electromagnetic pump applied to a primary main pumps of a large scale sodium cooled reactor

相澤 康介; 小竹 庄司; 近澤 佳隆; 荒 邦章; 荒関 英夫*; 相澤 利枝*; 大田 裕之*

Proceedings of 2009 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '09) (CD-ROM), p.9402_1 - 9402_8, 2009/05

ナトリウム冷却大型炉の1次主冷却系に適合する電磁ポンプ概念を検討した。設計検討の結果、5並列ポンプ概念を採用することで、機械式ポンプ組込型中間熱交換器と同等の寸法となることを示した。電磁ポンプを1次主冷却系に設置した場合の課題と考えられるフローコーストダウンと地絡について検討を行い、信頼性の高いフローコーストダウンシステム及び地絡検出システムを構築した。また、保守補修性の観点から機械式ポンプと電磁ポンプの比較検討を行い、定期点検における作業量は電磁ポンプが機械式ポンプの1/12となることを示した。さらに、大容量電磁ポンプの流動特性を把握するため、過去に実施された160m$$^{3}$$/min電磁ポンプの試験解析を実施した。その結果、大容量電磁ポンプの流動特性は小容量電磁ポンプと同様の傾向となった。しかし、大容量電磁ポンプは磁気レイノルズ数と相互作用パラメータが大きくなることから、小容量電磁ポンプの試験解析と比較して、試験と解析の差異が大きくなることを示した。

論文

Simulation study on unfolding methods for diagnostic X-rays and mixed $$gamma$$ rays

橋本 周; 大高 雅彦; 荒 邦章; 神野 郁夫; 今邨 亮*; 三上 研太*; 野宮 聖一郎*; 尾鍋 秀明*

Journal of Nuclear Science and Technology, 46(1), p.76 - 82, 2009/01

X線のエネルギー分布を測定する光子検出器について、先に報告したが、ここでは、その検出器を用いた、診療X線と$$^{137}$$Csと$$^{60}$$Coの混合$$gamma$$線源の測定に用いるアンフォウルディング手法について論じる。さまざまな診療X線に対する応答関数は相互の区別がほとんどつかず、誤差低減法によるアンフォウルディング手法は十分に機能しない。この場合、スペクトルサーベイ手法が有効である。しかしながら、混合$$gamma$$線の測定では誤差低減法は適用可能である。両ケースにおいて、ニューラルネットワーク手法の適用が期待できることも示された。

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:24.33(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

Study on chemical reactivity control of liquid sodium; Development of nano-fluid and its property and applicability to FBR plant

斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 中野 晴之*; 緒方 寛*; 吉岡 直樹*

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 4 Pages, 2008/05

液体ナトリウムは熱伝導率などの特性に優れていることから高速炉の冷却材として使用されている。しかしながら、ナトリウムの水や酸素との反応性は非常に高い。そこで、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制する革新的な研究が望まれている。本研究の目的は液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属微粒子を分散させることにより、ナトリウムの化学的活性度を抑制することである。本研究のサブテーマとして、ナノ粒子の製造技術の開発,ナノ流体の反応抑制効果の評価及びナノ流体のFBRプラントへの適用性評価を挙げている。本論文ではそれぞれのサブテーマの進捗状況について述べる。

報告書

Review of JAEA activities on the IFMIF liquid lithium target in FY2006

井田 瑞穂; 中村 博雄; 千田 輝夫*; 宮下 誠; 古谷 一幸*; 吉田 英一; 平川 康; 三宅 収; 平林 勝; 荒 邦章; et al.

JAEA-Review 2008-008, 38 Pages, 2008/03

JAEA-Review-2008-008.pdf:9.37MB

国際核融合材料照射施設(IFMIF)の工学実証・工学設計活動(EVEDA)が実施中である。IFMIFは核融合炉材料の開発のための十分な照射体積を有する強力な加速器型中性子源である。このような中性子を発生させるために、最大エネルギー40MeV,最大電流250mAの重水素ビームを、最大流速20m/sの液体リチウム流ターゲットに入射させる。ターゲット系では、中性子の核発熱によりターゲット背面壁に熱応力が発生する。さらに、ベリリウム-7をはじめとする放射性核種が発生する。本報告では、平成18年度の原子力機構におけるターゲット系の主要な活動として、核発熱条件下でのターゲット背面壁の熱応力解析,その材料の溶接後の機械特性の試験,リチウムループ内でのベリリウム-7挙動とそれによる作業員被曝の評価、及び原子力機構を中心に実施予定の工学実証・工学設計タスクの検討結果を取りまとめた。

論文

Study on chemical reactivity control of liquid sodium; Research program

斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 岡 伸樹*; 吉岡 直樹*

Proceedings of 15th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-15) (CD-ROM), 5 Pages, 2007/04

液体ナトリウムは熱伝導率や液体温度範囲が広いことから高速炉の冷却材として使われている。しかしながら、ナトリウムの水や酸素との反応性は非常に高い。そこで、ナトリウムの化学的活性度を抑制する革新的な技術の開発が望まれている。本研究の目的は液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属微粒子を分散させることにより、ナトリウムの化学的活性度を抑制することである。本研究のサブテーマはナノ粒子の製造,反応抑制効果の評価と高速炉への適用性評価である。本発表では研究計画について述べる。

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