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論文

Comparative study on the thermal behavior of structural concretes of sodium-cooled fast reactor

菊地 晋; 古賀 信吉*; 山崎 淳司*

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 137(4), p.1211 - 1224, 2019/08

本研究では、ナトリウム冷却高速炉構造コンクリートに類似した2種類のコンクリートを選定し、これらの熱的挙動の比較検討を実施した。室温から1900Kの温度範囲において、TG-DTAを用いた構造コンクリートの熱的挙動を検討した。コンクリートのセメント部の融解開始温度は1400から1600Kの温度範囲であることが分かった。また、CaCO$$_{3}$$とCa(OH)の存在比が異なる2種類のコンクリートのセメント部では、双方の融解温度の範囲に顕著な違いは見られなかった。一方、骨材の融解挙動は当初のシリカの含有量により直接影響を受けることが分かった。

論文

ナトリウム冷却高速炉における炭化ホウ素とステンレス鋼の共晶反応に関する速度論的検討

菊地 晋; 山野 秀将

第23回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 4 Pages, 2018/06

ナトリウム冷却高速炉の仮想的過酷事故条件では、炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)とステンレス鋼(SS)との共晶反応が発生する恐れがある。ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故の評価において、当該共晶反応の挙動を解明することは非常に重要である。B$$_{4}$$C-SS共晶反応の速度論的特徴を明らかにするための第一段階として、それぞれの試薬を用いたTG-DTA測定を実施し、基礎的な情報を取得するとともに熱分析容器の適用性を確認した。共晶反応を対象とする場合、アルミナ容器が適用可能であることを確認した。また、昇温速度を変えたDTAデータをもとにKissinger法を用いて速度論パラメータを見積もった。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管周囲に形成されるナトリウム-水反応環境を考慮したターゲットウェステージ評価

栗原 成計; 梅田 良太; 下山 一仁; 菊地 晋

日本機械学会論文集(インターネット), 84(859), p.17-00382_1 - 17-00382_11, 2018/03

ナトリウム(Na)冷却型高速炉(SFR)の蒸気発生器(SG)で想定される伝熱管破損事象では、Na中への水漏えいにより反応ジェットが形成され(Na-水反応)、そのエロージョン・コロージョン作用により隣接伝熱管(ターゲット伝熱管)に局所的な減肉が生じる(ターゲットウェステージ)。われわれは、反応ジェットに随伴される液滴衝突エロージョン(LDI)と、Na-水反応時の主要生成物である高温の水酸化ナトリウム(NaOH)及び酸化ナトリウム(Na$$_{2}$$O)による流れを伴うNa-Fe複合酸化型腐食(COCF)に起因してターゲットウェステージが生じると考え、伝熱管周囲のウェステージ環境で生成されるNaOH単体環境及びNaOH-Na$$_{2}$$O混合環境においてCOCF実験を実施して定式化した。本報では、垂直管群を模擬した実機SG条件でのNa-水反応試験(総合検証試験)を実施し、各ターゲット伝熱管を対象に新たなウェステージ相関式の適用性を定量評価するとともに、貫通破損したターゲット伝熱管を対象に注水停止後のブローダウン過程を含めた時間におけるウェステージの時間進行を定性的に検討した。

論文

Thermal behavior of sodium hydroxide-structural concrete composition of sodium-cooled fast reactor

菊地 晋; 古賀 信吉*

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 131(1), p.301 - 308, 2018/01

ナトリウム冷却高速炉の仮想的な事故条件下においては、漏えいナトリウムが鋼製ライナーを破損する恐れがある。そのような状況においては、構造コンクリートと液体ナトリウムが直接接触することによりナトリウム-コンクリート反応が発生する。本研究では、ナトリウム冷却高速炉の安全評価に資するため、ナトリウム-コンクリート反応の第2段階反応の一つとして、水酸化ナトリウム(NaOH)とシリカ(SiO$$_{2}$$)の反応について検討した。反応開始点等の反応に関する熱的挙動については、示差走査熱量計(DSC)を用いて定義した。DSC計測の結果、NaOH-SiO$$_{2}$$反応はNaOHの融点直後に急激に反応することが明らかになった。したがって、初期段階で発生したNaOHが有意な量存在する場合、ナトリウム-コンクリート反応の第2段階反応における時間帯にNaOH-SiO$$_{2}$$反応が支配的になることが推定された。

論文

Identification of important phenomena under sodium fire accidents based on PIRT process

青柳 光裕; 内堀 昭寛; 菊地 晋; 高田 孝; 大野 修司; 大島 宏之

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Next Generation Nuclear Systems for Sustainable Development (FR-17) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2017/06

ナトリウム冷却高速炉のナトリウム燃焼時には、多くの現象が複合して生じる。本研究では、ナトリウム燃焼時の重要現象を同定するためにPIRT手法を適用した。本PIRT手法においては、要因分析を用いて重要度評価を実施する上での適切な評価指標を設定するとともに、要素および事象進展の両分析から関連現象を抽出した。重要度評価は事象進展に評価指標を関連付けて実施して、重要度評価表を完成させた。またモデルの妥当性評価のための評価マトリクスを構築した。

論文

Reaction path and product analysis of sodium-water chemical reactions using laser diagnostics

出口 祥啓*; 村中 亮太*; 神本 崇博*; 高木 琢*; 菊地 晋; 栗原 成計

Applied Thermal Engineering, 114, p.1319 - 1324, 2017/03

本研究の目的はナトリウム-水反応(気相反応)の反応経路および反応生成物を定量的に明らかにすることである。反応経路および反応生成物を分析するために、対向流火炎装置を用いた。測定の結果、反応場における主要な生成物はNaOHであり、Na酸化物はNaOHに対して無視し得るレベルであることが明らかになった。

論文

Identification of important phenomena under sodium fire accidents based on PIRT process with factor analysis in sodium-cooled fast reactor

青柳 光裕; 内堀 昭寛; 菊地 晋; 高田 孝; 大野 修司; 大島 宏之

Proceedings of 10th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-10) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2016/11

ナトリウム冷却高速炉のナトリウム燃焼時には、多くの現象が複合して生じる。本研究では、ナトリウム燃焼時の重要現象を同定するためにPIRT手法を適用した。本PIRT手法においては、要因分析を用いて重要度評価を実施する上での適切な評価指標を設定するとともに、要素および事象進展の両分析から関連現象を抽出した。重要度評価は事象進展に評価指標を関連付けて実施して、重要度評価表を完成させた。

報告書

青森研究開発センターむつ事務所施設管理課業務報告; 平成24年度、平成25年度

田島 好弘; 桑原 潤; 及川 敦; 甲 昭二; 新谷 尚之; 菊地 香; 宮本 晋伍; 根本 英幸; 大江 修

JAEA-Review 2016-003, 56 Pages, 2016/05

JAEA-Review-2016-003.pdf:7.16MB

青森研究開発センターむつ事務所施設管理課(以下「施設管理課」という。)は、原子力第1船原子炉施設の運転・維持管理及び廃止措置並びに少量核燃料物質使用施設の液体廃棄施設、固体廃棄施設の運転・維持管理業務を実施している。本報告は、施設管理課における平成24年度及び平成25年度の業務実績を取りまとめたものである。

論文

Experimental study and kinetic analysis on sodium oxide-silica reaction

菊地 晋; 古賀 信吉*; 清野 裕; 大野 修司

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(5), p.682 - 691, 2016/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:57.25(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム冷却高速炉において、万が一冷却材であるナトリウムが漏えいし、構造コンクリートを保護しているライナーをも破損させる過酷な事象を想定した場合、ナトリウムーコンクリート反応が生じる可能性がある。ナトリウムーコンクリート反応は、水素の発生、エネルギーの放出(発熱)、コンクリートの浸食を伴うため、これらの現象を理解することが重要である。本研究では、一連のナトリウムーコンクリート反応試験シリーズのうち、ナトリウム酸化物とシリカの反応性について着目した。ナトリウム酸化物とシリカの熱分析および化学分析により、前回の試験で確認したナトリウムとシリカの反応と比較して、かなり低い温度で反応が起こることを明らかにした。

論文

ナトリウム冷却高速炉の研究開発における熱分析の利用

菊地 晋; 古賀 信吉*

熱測定, 43(1), p.11 - 18, 2016/00

本報は、ナトリウム冷却高速炉の研究開発における熱分析の利用の一例として、ナトリウム-コンクリート反応挙動の検討例を解説したものである。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管周囲に形成されるナトリウム-水反応環境を考慮した隣接管ウェステージ評価; 高温水酸化ナトリウムを用いた流れを伴う複合酸化型腐食実験

栗原 成計; 梅田 良太; 菊地 晋; 下山 一仁; 大島 宏之

日本原子力学会和文論文誌, 14(4), p.235 - 248, 2015/11

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器でナトリウム(Na)-水反応が生じると、水漏えい位置に隣接する健全な伝熱管は反応ジェットの影響によって局所的な損耗(ターゲットウェステージ)を受け、破損が伝播して影響範囲が拡大する可能性がある。従来の研究では、実機SGの伝熱管候補材料を対象に、実機SG運転条件を模擬した多くのターゲットウェステージ実験が実施され、反応ジェットを形成するマクロな境界因子でウェステージ速度が評価されてきた。しかしながら、高温・高圧運転が指向される異なるSG型式に対して同様のアプローチで安全評価を行うには、設計上の選択肢に対して汎用性に欠け、設計時の最適化に適さない。本報では、Na-水反応時の主たる反応生成物である、高温のNaOH及びNa$$_{2}$$Oによる実機SG伝熱管材料の流れを伴う複合酸化型腐食挙動を把握することを目的として、ウェステージ環境に影響を及ぼす局所因子を分離可能な実験装置及び手法を開発し、減肉速度に及ぼす試料/供試体(伝熱管材料)温度及び試料衝突速度の影響を定量的に検討した結果について述べる。さらに、実験後供試体の金属組織観察や化学分析に基づき、腐食環境を推察した。

論文

Reaction path and product analysis of sodium-water chemical reactions using laser diagnostics

出口 祥啓*; 村中 亮太*; 神本 崇博*; 高木 琢*; 菊地 晋; 栗原 成計

Proceeding of 3rd International Workshop on Heat Transfer Advances for Energy Conservation and Pollution Control (IWHT 2015) (CD-ROM), 6 Pages, 2015/10

本研究の目的はナトリウム-水反応(気相反応)の反応経路および反応生成物を定量的に明らかにすることである。反応経路および反応生成物を分析するために、対向流火炎装置を用いた。測定の結果、反応場における主要な生成物はNaOHであり、Na酸化物はNaOHに対して無視し得るレベルであることが明らかになった。

論文

Kinetic study on liquid sodium-silica reaction for safety assessment of sodium-cooled fast reactor

菊地 晋; 古賀 信吉*; 清野 裕; 大野 修司

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 121(1), p.45 - 55, 2015/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:67.82(Thermodynamics)

本研究では、ナトリウム冷却高速炉において過酷な状態を想定した場合に発生するナトリウム-コンクリート反応現象に関して、シリカ系コンクリートの反応性を評価するためにNa-SiO$$_{2}$$反応の速度論的検討を行った。反応性を評価するために示差走査熱量計(DSC)に加え、反応中の試料状況を確認するためにビデスコープによる同時測定を行った。詳細な反応速度論解析より、最大の反応速度となる場合の速度論データが主要な反応段階であることが明らかになった。また、簡易的なKissinger法による評価した反応速度定数がNa-SiO$$_{2}$$反応の主要な反応段階の速度論を評価するのに有用であることが分かった。

論文

Experimental and numerical reaction analysis on sodium-water chemical reaction field

出口 祥啓*; 高田 孝*; 山口 彰*; 菊地 晋; 大島 宏之

Mechanical Engineering Journal (Internet), 2(1), p.14-00029_1 - 14-00029_11, 2015/02

ナトリウム冷却高速炉では冷却材に伝熱特性に優れたナトリウムを用いている。一方、このナトリウムは水蒸気と反応すると化学的に極めて活性な性質を有している。ナトリウム冷却高速炉の設計基準事象の一つとして、蒸気発生器伝熱管の破損により液体ナトリウム中に水が噴出する事象がある。この事象はナトリウム冷却高速炉における伝熱設備に損傷を与えることとなるため、ナトリウム-水化学反応に関する研究は安全上極めて重要となっている。本研究では素反応解析によりナトリウム-水反応機構の解明を目的とした。解析の結果、気相反応においてNa+H$$_{2}$$O=NaOH+Hが主要な素反応であることが示された。

論文

Experimental study and kinetic analysis on sodium-concrete reaction in sodium-cooled fast reactor

菊地 晋; 清野 裕; 大野 修司

Proceedings of 10th International Topical Meeting on Nuclear Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-10) (USB Flash Drive), 13 Pages, 2014/12

ナトリウム冷却高速炉ではナトリウム漏えい対策として構造コンクリートはライナーで保護されている。しかし、ライナーが破損するような過酷な状態を想定する場合、コンクリートと液体ナトリウムが接触し、反応が生じる可能性がある。このナトリウムとコンクリートの反応はコンクリートの構成要素にダメージを与え、水素ガスと反応熱を生成する。したがって、原子炉構造の健全性の観点から、ナトリウムーコンクリート反応のメカニズムを把握することが重要である。しかし、計測の困難性から、反応速度論的な知見が僅少である。本研究では、ナトリウム-コンクリート反応現象の後続反応として想定されるNa$$_{2}$$OとSiO$$_{2}$$との反応速度論に着目し、熱分析で得られた結果より速度論的評価を行い、活性化エネルギーと頻度因子を算出した。また、想定される総括反応を検討するため、化学分析より生成物の同定を行った。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管周りに形成されるナトリウム-水反応ジェットの熱伝達特性

栗原 成計; 梅田 良太; 下山 一仁; 阿部 雄太; 菊地 晋; 大島 宏之

日本機械学会論文集,B, 79(808), p.2640 - 2644, 2013/12

ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG)では、伝熱管損傷時には隣接する伝熱管が高温の反応ジェットに覆われ、伝熱管材料の機械的強度が低下し、内圧により破損する可能性がある(高温ラプチャ)。高温ラプチャ評価では伝熱管壁温度(に相当する伝熱管壁応力)の予測精度が非常に重要であり、主要影響因子である反応ジェット-隣接(ターゲット)伝熱管熱伝達率の定量評価が不可欠となる。本報では、実機SGの運転条件を模擬したNa-水反応基礎実験を実施し、反応ジェットの熱影響を受けるターゲット伝熱管周囲で熱伝達率-ボイド信号データを計測し、ターゲット伝熱管周囲の熱的環境及び既往伝熱相関式の適用性を検討した結果について報告する。

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

ナトリウム冷却高速炉におけるナトリウム-コンクリート反応機構に関する実験的研究

菊地 晋; 清野 裕; 大野 修司

日本機械学会論文集,B, 79(808), p.2650 - 2654, 2013/12

ナトリウム(Na)冷却高速炉ではNa漏えい対策として、構造コンクリートを保護するライナーを設けている。万が一、このライナーをも破損する過酷な事象が生じた場合、Naとコンクリートによる反応が発生する可能性がある。このNa-コンクリート反応のメカニズムを解明するため、Naとシリカとの反応について熱分析装置(DSC)を用いた速度論的研究を行った。DSC曲線から、Na-SiO$$_{2}$$反応による反応温度を同定した。また、Na-SiO$$_{2}$$反応における反応性がNaと実用コンクリート骨材との反応性と類似していることが分かった。さらに、XRDによる化学分析の結果、反応生成物と推定される水ガラスを確認した。試験で得られた反応温度に基づきNa-SiO$$_{2}$$反応の反応速度定数を導出し、高温の反応場が維持される場合、Na-SiO$$_{2}$$反応がNa-コンクリート反応の時間スケール内に発生し得ることを示した。

論文

Reaction path analysis to sodium-water chemical reaction field using laser diagnostics

田村 健太*; 出口 祥啓*; 村中 亮太*; 草野 剛嗣*; 高田 孝*; 菊地 晋; 栗原 成計

Proceedings of 24th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-24) (USB Flash Drive), 5 Pages, 2013/11

本研究の目的はナトリウム-水反応(気相反応)の反応経路および反応生成物を明らかにすることである。本研究ではアルゴンで希釈した水蒸気を反応容器上方より、液体ナトリウムプールに導入する対向流拡散火炎試験装置を用いている。反応場において、Na, Na$$_{2}$$, H$$_{2}$$Oや反応生成物をレーザー計測技術により測定した。また、計測性を向上させるため、反応場におけるNaの凝縮を抑制するために温調設備を改良した。試験結果から主要な反応生成物はNaOHであることが明らかになり、Na-H$$_{2}$$O系の素反応解析により反応経路を検討した。

論文

Application of laser diagnostics to sodium-water chemical reaction field

出口 祥啓*; 田村 健太*; 村中 亮太*; 草野 剛嗣*; 菊地 晋; 栗原 成計

レーザー研究, 41(11), p.927 - 931, 2013/11

ナトリウム冷却高速炉では冷却材に伝熱特性に優れたナトリウムを用いている。一方、このナトリウムは水蒸気と反応すると化学的に極めて活性な性質を有している。ナトリウム冷却高速炉の設計基準事象の一つとして、蒸気発生器伝熱管の破損により液体ナトリウム中に水が噴出する事象がある。この事象はナトリウム冷却高速炉における伝熱設備に損傷を与えることとなるため、ナトリウム-水化学反応に関する研究は安全上極めて重要となっている。本研究ではレーザー計測技術を用いた各化学種の同定を行い、気相反応においてNa+H$$_{2}$$O=NaOH+Hが主要な素反応であり、主な反応生成物はNaOHであることを確認した。

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