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論文

高温ガス炉による水素製造技術

久保 真治; 菱田 誠*

回収二酸化炭素を資源として有効利用する技術システムに関する調査研究成果報告書, p.120 - 124, 2009/03

本稿は、高温ガス炉によって水素製造を行う具体的手段である、メタンの水蒸気改質法,熱化学法ISプロセス,ハイブリッド法,UT-3法及び高温水蒸気電解法について、これらの概要,米国を中心とした海外の研究動向,国際協力体制について概観した解説論文である。

論文

高空隙率の異方性水平多孔質層内の自然対流熱伝達

椎名 保顕; 菱田 誠*

日本機械学会東北支部第43期総会・講演会講演論文集, p.163 - 164, 2008/03

高空隙率の多孔質層内自然対流流れは、ダルシー則が成立しないと考えられ、解析には流体の粘性摩擦を考慮する必要がある。本研究では、水平流体層の上下伝熱面間に円柱細線を均一に張った高空隙率の異方性水平多孔質層内自然対流熱伝達をCollocation法により求めた。また解析結果を、円柱細線として塩化ビニル棒を、また、流体としてシリコンオイルを用いた実験結果及び弱非線形解析結果と比較した。その結果、ヌッセルト数はダルシー数が小さくなると増加し、ダルシー数が1以上ではほぼ一定値となること、ダルシー数が0.001以下では、解析結果は弱非線形解析結果とほぼ一致し、ダルシー則が近似的に満たされること等が示された。また、ダルシー数が1に近い領域では実験と解析は比較的よく一致することが示された。

論文

高空げき率の異方性水平多孔質層内の自然対流発生臨界レイリー数

椎名 保顕; 菱田 誠*

日本機械学会論文集,B, 73(733), p.1876 - 1883, 2007/09

水平伝熱面間に高い空隙率で金属細線等を挿入した場合の水平多孔質層内自然対流発生の臨界レイリー数を、流体の粘性抵抗を考慮するとともに、浸透度及び熱拡散率の異方性を考慮することにより安定性解析で求め、実験と比較した。この場合xy方向の浸透度に対するz方向浸透度の比は1/2となるが、熱拡散率の異方性は挿入する円柱細線の種類及び空隙率に依存する。解析の結果、臨界レイリー数はダルシー数が増加すると減少するが、xy方向に対するz方向の実効熱拡散率の比が減少するとともに小さくなり、ダルシー数が約1以上では一定値を示すこと、臨界レイリー数は熱拡散率の比が0の極限で最小値約690.8をとること、熱拡散率比の減少とともに、ダルシー則が成立するダルシー数の上限値は小さくなること等が明らかにされた。また、熱拡散率の比が1の条件で行われた実験と解析の結果は非常によく一致することが示された。

論文

空げき率の高い水平多孔質層内の自然対流熱伝達

椎名 保顕; 石川 広太*; 菱田 誠*

日本機械学会論文集,B, 73(728), p.1045 - 1051, 2007/04

実効熱伝導率を高めるために、伝熱面間に円柱細線を張った異方性水平多孔質層内自然対流の臨界レイリー数及び熱伝達率をダルシー流れを仮定した解析で求めるとともに、実験により調べた。実験の空隙率範囲は0.822から1である。空隙率が1の場合には臨界レイリー数,ヌッセルト数ともベナール対流の場合と一致した。円柱細線を挿入すると、空隙率が1に近い場合には臨界レイリー数はほとんど変化しないが、ヌッセルト数は大きく低下することが示された。これらから、自然対流の発生は局所の流動抵抗に依存するが、熱伝達は流路全体の流動抵抗に依存することが推定される。この場合、実験の臨界レイリー数はダルシー流れに基づく解析よりも実験の方が高い値を示したが、ダルシー数の低下とともに理論値に漸近した。実験の空隙率領域ではダルシー流れの仮定は十分には成立しないと考えられる。実験のヌッセルト数をレイリー数と臨界レイリー数の比の関数として整理すると、理論値よりは低いが、1つの相関式で表された。

論文

円柱細線を伝熱面間に挿入した水平多孔質層内の自然対流

椎名 保顕; 菱田 誠*; 石川 広太*

日本機械学会東北支部第42期総会・講演会講演論文集, p.137 - 138, 2007/03

潜熱蓄熱で、伝熱面間に金属細線を挿入し、実効熱伝導率を高める伝熱促進法を用いた場合の融解時自然対流特性を明らかにするため、水平伝熱面間に円柱細線を高い空隙率で垂直に設置した場合の自然対流発生レイリー数を解析で求めるとともに、実験を行い結果を比較した。この場合xy方向の浸透度に対するz方向浸透度の比は1/2となる。その結果、臨界レイリー数RaCは実効熱拡散率の比$$xi$$の減少とともに小さくなり、ダルシー数Daが大きくなると一定値を示すこと、RaCは$$xi$$$$rightarrow$$0, Da$$rightarrow$$$$infty$$の場合で最小値692.5をとることが明らかとなった。また、実効熱拡散率の比=1の場合には実験と解析はよく一致することが示された。

論文

空隙率の高い水平多孔質体内の自然対流熱伝達

椎名 保顕; 石川 広太*; 菱田 誠*; 田中 学*

日本機械学会2006年度年次大会講演論文集, Vol.3, p.173 - 174, 2006/09

相変化物質を多孔体中に含浸させて実効熱伝導率を向上させる伝熱促進法の、融解時における有効性を調べるために、水平流体層に垂直に円柱細線を張り、自然対流熱伝達について調べた。自然対流発生の臨界レイリー数及びヌッセルト数を、ダルシー流れを仮定して解析により求め、実験と比較した。実験では空隙率及びレイリー数を0.822$$sim$$1及び10$$^3$$から10$$^4$$の範囲で変えた。その結果、実験範囲では空隙率が高く、厳密にはダルシー流れは成立しないこと,そのため、臨界レイリー数は実験の方が理論よりも高くなるが、空隙率が減少すると差は小さくなること,空隙率が1に近い場合、ダルシー流れの場合と異なり、円柱細線の挿入によりヌッセルト数は低下することが示された。

論文

矩形流路内に生じるヘリウム-空気対向流に関する研究

文沢 元雄; 田中 学*; Zhao, H.*; 菱田 誠*; 椎名 保顕

日本原子力学会和文論文誌, 3(4), p.313 - 322, 2004/12

国際原子力総合技術センターで整備した高温ガス炉用の炉内核熱解析コードのサブモジュールを使用して、ヘリウム-空気対向流の流速分布と濃度分布を数値解析によって求め、以下の事項を実験結果と照合した。(1)準定常的な置換流が形成されるまでの時間,(2)流れのパターンと流路の傾斜角$$theta$$との関係,(3)上昇流と下降流の流速分布の発達過程,(4)上昇流及び下降流の流路幅及び流速分布と傾斜角$$theta$$との関係,(5)濃度分布と流路の傾斜角との関係,(6)正味流入流量と流路の傾斜角との関係その結果、流速分布及び正味流入流量について実験値と解析値は、両者が良い一致を示すことも確認した。

報告書

高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究フェーズII中間報告; 原子炉プラントシステム技術検討書

此村 守; 小川 隆; 岡野 靖; 山口 浩之; 村上 勤; 高木 直行; 西口 洋平; 杉野 和輝; 永沼 正行; 菱田 正彦; et al.

JNC-TN9400 2004-035, 2071 Pages, 2004/06

JNC-TN9400-2004-035.pdf:76.42MB

ナトリウム冷却炉、鉛ビスマス冷却炉、ヘリウムガス冷却炉及び水冷却炉について、革新技術を導入し炉型の特徴を活かした炉システム概念を構築し、その概念の成立の見通しを得るための検討を行うとともに、設計要求への適合性を評価した。その結果、2015年頃に高速増殖炉技術を実用化するためには、現状の知見で課題とされた項目で画期的な技術革新がないかぎり、ナトリウムを冷却材して選択することが合理的であることが明らかとなった。

報告書

多孔体に相変化物質を含浸させた複合蓄熱体の温度特性に関する研究; セラミックス及び金属多孔体を用いた場合(協力研究)

椎名 保顕; 小牧 克哉*; 田中 学*; 菱田 誠*

JAERI-Tech 2001-076, 49 Pages, 2001/11

JAERI-Tech-2001-076.pdf:2.3MB

高熱伝導率の多孔体に相変化物質を含浸させ、実効熱伝導率を向上させた潜熱蓄熱体により、熱伝達流体の温度変動を効果的に吸収することができる。これを用いると、高温ガス炉に接続された熱利用系の安全性を高めることができるのみならず、一般産業においても、一定温度の安定した熱源を作ることができるなど、多方面に利用することができる。多孔体にはセラミックスとしてジルコニア(ZrO$$_{2}$$,気孔率45.3%),金属としてニッケル・クロム(92.6%)及びニッケル(95.3%)を用い、それらにパルミチン酸を含浸させた複合蓄熱体を製作し、温度変動実験及び数値解析を行うことにより、複合蓄熱体の空間的・時間的温度変動を調べた。その結果、セラミックスを用いた複合蓄熱体に対して、金属多孔体を用いた複合蓄熱体は、内部温度の均一性が高いこと、長時間相変化温度に保持されることが示された。この理由は、金属多孔体を用いた複合蓄熱体は、気孔率が非常に高いにもかかわらず実効熱伝導率が高くなること、高い気孔率のために多量の相変化物質を含浸できるためであると結論できる。数値解析結果は実験結果と比較的良く一致した。さらに精度を上げるためには、気孔率の高い複合蓄熱体の物性値評価の精度向上,相変化物質の融解・凝固特性の正確な把握等が必要であることが示された。これらから、セラミックス多孔体より、金属多孔体を用いた方が温度吸収に用いる潜熱蓄熱体として有効であることが明らかになった。

論文

An Experimental study of heat transfer in an open thermosyphon

今井 悦也*; 椎名 保顕; 菱田 誠*

Heat Transfer-Asian Research, 30(4), p.301 - 312, 2001/06

サーモサイフォンを用いた受動的冷却特性を調べるため、開放型サーモサイフォンの熱伝達実験を行い、流れと熱伝達の関係を調べた。水を用いた実験結果から伝熱形態は3つに分類される。第1はレイリー数(Ram)領域、10$$^{3}$$$$<$$Ram$$<$$4$$times$$10$$^{3}$$で、加熱面の温度境界層が管中央付近にまで達する。第2は4$$times$$10$$^{3}$$$$<$$Ram$$<$$3$$times$$10$$^{4}$$で、温度境界層が壁近傍に局在し、中央下降流との伝熱が少ない。第3は3$$times$$10$$^{4}$$$$<$$Ram$$times$$3$$times$$10$$^{5}$$の領域で、下降流に流れが生じる。第3領域では管上半部で乱れが生成されるが、下半部では第2領域と同じ流れが形成された。乱れは管入口不において、下降流と上昇流の干渉により生成され、レイリー数がさらに増加すると下流に拡大される。乱れの生成とともに流れが妨げられ、熱伝達の増加が抑制される。本実験により、水を用いた場合の理論解とのずれ、各実験者による結果のバラつきの原因の一端と明らかにした。

論文

Study on the passive safe technology for the prevention of air ingress during the primary-pipe rupture accident of HTGR

武田 哲明; 菱田 誠*

Nuclear Engineering and Design, 200(1-2), p.251 - 259, 2000/08

 被引用回数:24 パーセンタイル:16.61

高温ガス炉の1次冷却系主配管破断事故時の空気侵入挙動の解明と空気侵入防止技術の開発に資するため、原子炉の流路構成を模擬した試験装置を用いて実験を行った。実験の結果、配管破断後の炉心部を一定速度で降温する場合は、事故を空気の自然循環流が発生する第2段階まで進展させないような降温速度が存在することが明らかとなった。また、炉心部の高温と低温流路間に発生する空気の自然循環流は、低温流路側に相当する圧力容器等の流路からヘリウムガスを一定量注入することによって流れを制御することができ、多量の空気侵入を防止できることを示した。

論文

開放型サーモサイフォン内の伝熱特性に関する実験的研究

今井 悦也*; 椎名 保顕; 菱田 誠*

日本機械学会論文集,B, 65(634), p.227 - 233, 1999/06

サーモサイフォンを用いた受動的冷却特性を調べるため、開放型サーモサイフォンの熱伝達実験を行い、流れと熱伝達の関係を調べた。水を用いた実験結果から伝熱形態が3つに分けられることを示した。第1は1$$times$$10$$^{3}$$$$<$$R$$_{am}$$$$<$$3$$times$$10$$^{3}$$の領域で加熱面の温度境界層が管中央付近にまで達する。第2は4$$times$$10$$^{3}$$$$<$$R$$_{am}$$$$<$$3$$times$$10$$^{4}$$の領域で、温度境界層が壁近傍に局在し、中央下降流との伝熱が少ない。第3は3$$times$$10$$^{4}$$$$<$$R$$_{am}$$$$<$$3$$times$$10$$^{5}$$の領域で、下降流に乱れが生じる。実験した第3領域では管の上半部で乱れが形成され、下半部では第2領域と同じ流れが形成された。乱れは、管入口部において下降流と上昇流の干渉により生成されレイリー数の増加とともに下流に拡大される。乱れの生成とともに流れが妨げられ、熱伝達が低下する。

報告書

高温ガス炉の伝熱・流動分野における研究開発の歩み

佐野川 好母*; 宮本 喜晟; 秋野 詔夫; 椎名 保顕; 菱田 誠*; 小川 益郎; 文沢 元雄; 稲垣 嘉之; 武田 哲明; 高田 昌二; et al.

JAERI-Review 98-024, 403 Pages, 1999/01

JAERI-Review-98-024.pdf:17.17MB

原研は昭和44年5月に、1000$$^{circ}$$Cの高温核熱を炉外に取り出して種々の目的に利用する多目的高温ガス実験炉(VHTR)の計画を立てた。それ以来この炉の設計・製作に不可欠なデータの取得と、高温のヘリウムガス循環技術の確立を目指して、約30年間にわたって研究開発を行ってきたが、この報告書は、そのなかでも伝熱・流動分野の主な成果の要点を、実際にその研究開発に従事した研究者自身が執筆したものをまとめたものであり、そのなかには、従来の学問上の定説を書き換えた研究もいくつかある。しかしながら、この長い年月の間には、実際に研究開発に従事した者の多くは原研を去り、また資料が散逸してしまったものもあって、すべてを収録することはできなかったが、貴重な知見として現在の高温工学試験研究炉(HTTR)の設計や技術に直接生かされているものばかりである。また、今後の高温ガス炉(HTGR)の研究開発ばかりではなく、高温を取り扱うすべての機器の技術開発にも役立つ貴重な資料である。

報告書

核熱の産業利用に関する検討

稲葉 良知; 文沢 元雄; 菱田 誠*; 井出 朗*; 竹中 豊*; 殿河内 誠*

JAERI-Tech 96-057, 132 Pages, 1997/01

JAERI-Tech-96-057.pdf:4.08MB

本研究では、原子力エネルギーを電気としてだけでなく、熱エネルギー源として直接産業利用するシステムに関して検討を行った。原子炉型としては高温熱利用に適している高温ガス炉とし、まず各国の高温ガス炉による核熱利用プラントの設計例及び日本の代表的コンビナート等を調査した。これを基に、核熱を利用した産業システムとして化学プラントにおけるコジェネレーションとアンモニア合成プラントにおける石炭ガス化を選定し、そのシステム設計を行って、核熱利用プラントのシステム概念を明確にした。石炭ガス化システムに関しては、石炭ガス化炉を2段式にすることにより、2次ヘリウムガスの熱利用率を上げることができた。また、このような核熱の産業利用を実現する上で、解決を要する課題を整理・検討した。経済性については、従来システムに二酸化炭素対策を施した場合、核熱利用システムが従来システムと競合可能であることを示した。さらに、原子力コンビナートの将来像を示すと共に、選定システムをエネルギーモデルによって評価するためのデータを整備した。

論文

Study on the passive safe technology for the prevention of air ingress during the primary-pipe rupture accident of HTGR

武田 哲明; 菱田 誠*

Eighth Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-8), 1, p.278 - 285, 1997/00

高温ガス炉の1次冷却系主配管破断事故時の空気侵入挙動の解明と空気侵入防止技術の開発に資するため、原子炉の流路構成を模擬した試験装置による実験を行った。その結果、配管破断後の炉心部を一定速度で降温する場合は、事故を空気の自然循環流が発生する第2段階まで進展させないような降温速度が存在することが分かった。また、炉心部の高温と低温流路間に発生する空気の自然循環流は、低温流路側に相当する圧力容器等の流路から、ヘリウムを一定量注入することによって流れを制御することができ、多量の空気侵入を防止できることが分かった。

論文

Benchmark problem for International Atomic Energy Agency (IAEA) Coordinated Research Program (CRP) on Gas-Cooled Reactor (GCR) afterheat removal

高田 昌二; 椎名 保顕; 稲垣 嘉之; 菱田 誠*; 数土 幸夫

Eighth Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-8), 1, p.323 - 332, 1997/00

IAEAの「事故時におけるGCR崩壊熱除去」に関するCRPでは、原研の冷却パネル特性試験装置により取得された7条件の実験データが、高温ガス炉用冷却パネルシステムの冷却性能及び温度分布の設計・評価用コードを検証するためにベンチマーク問題として選択された。試験装置は崩壊熱を模擬した最高出力100kWの電気ヒータを内蔵する直径1m、高さ3mの圧力容器と圧力容器を取り囲む冷却パネルと大気圧の空気を充填した炉室により構成する。数値解析コードTHAN-PACST2の解析手法を解析モデルの妥当性を検証するために二つのベンチマーク問題を解析した。水冷形冷却パネルシステムの圧力容器内ヘリウムガス圧力0.73MPa、圧力容器温度が210$$^{circ}$$Cの条件では、圧力容器温度は実験値に比べ最高-14%、+27%の誤差で評価された。冷却パネル除熱量については実験値に比べ-11.4%低く、放射伝熱量は全入熱量の74.4%であった。

報告書

核熱による二酸化炭素低減システムの検討

文沢 元雄; 稲葉 良知; 菱田 誠; 緒方 寛*; 山田 誠也*

JAERI-Tech 96-045, 97 Pages, 1996/11

JAERI-Tech-96-045.pdf:3.34MB

本報告では、核熱利用システム構築の一環として、大気中に放出されるCO$$_{2}$$の低減と化石燃料の有効利用を目指して、化石燃料改質によるCO$$_{2}$$原単位を改善するシステムについて検討した。CO$$_{2}$$発生量低減化の評価指標としてCO$$_{2}$$原単位比を用い、改質原料・製品を組み合わせた10種類のシステムを検討した。その結果、核熱を用いて石炭をメタンやメタノールに改質するシステムが他のシステムに比べて、CO$$_{2}$$放出量低減に効果的であることが分かった。

報告書

核熱による二酸化炭素の再利用システムの検討

文沢 元雄; 稲葉 良知; 菱田 誠; 小川 益郎; 小坂 伸一*

JAERI-Tech 96-022, 82 Pages, 1996/06

JAERI-Tech-96-022.pdf:2.2MB

本報告では、環境への二酸化炭素排出量の多い火力発電所の燃焼ガスを対象とし、核熱を利用して二酸化炭素を分離・回収する技術、回収した二酸化炭素を処分、再利用するプロセスの検討を行った。選定された再利用製品であるメタノール、尿素、エチレン及びガソリンを製造するプロセスのうち、需要面からガソリンのプロセスが有望と判明した。そこで、改良したエチレンプロセスとARCOプロセスの結合によりガソリンを製造する新プロセスを提案し、その実現の可能性を論じた。

報告書

核熱利用システムの構築に必要な基礎検討

稲葉 良知; 文沢 元雄; 菱田 誠; 小川 益郎; 有富 正憲*; 神前 康次*; 桑原 信一*; 野村 眞一*; 小坂 伸一*; 小林 繁鋪*; et al.

JAERI-Tech 96-019, 122 Pages, 1996/05

JAERI-Tech-96-019.pdf:4.42MB

本来核エネルギーの持つ大きな可能性を、長期的な世界のエネルギー需給において現実に利用可能なものとしていくために、核熱利用の様々な可能性を具体的な利用システムとして構築していく必要がある。本検討では、資源としては豊富に存在するが、取り扱う物量や環境影響という点で最も大きな問題を抱えている石炭と、物量という点で最もコンパクトな原子力を組み合わせたシステムの可能性について重点的な考察を行った。まず石炭の改質技術の最近の開発状況について、石炭ガス化技術開発の立場から検討した。また高温核熱と石炭改質を組み合わせたシステムを比較・検討し、このようなシステムを総合的に評価するモデルの開発を行った。さらに、核熱利用と化学原料製造の関係や開発途上国等での核熱利用の開発状況を調査した。そしてこれらにより、核熱利用システムの有用性を示した。

報告書

核熱利用システムの構築に関する研究

稲葉 良知; 小川 益郎; 菱田 誠

JAERI-Tech 96-017, 53 Pages, 1996/05

JAERI-Tech-96-017.pdf:1.81MB

核熱利用システムを「原子力の熱エネルギーを利用するために、色々な構成要素(プロセス)-発電プロセス、熱交換プロセス、メタン製造プロセス、水素製造プロセス、淡水化プロセス、エネルギー貯蔵プロセスなど-を有機的に組み上げた一つの組織・集合体」と定義する。このような核熱利用システムにおいて、「個々のプロセスの修正・改新、新たなプロセスの創出、プロセスの組み合わせ方」などを考える。また「構築したシステムの提案理由を明確にすること」を本研究課題とする。本報告では、核熱利用システムの構築に関する研究について、過去の研究例と、本研究の動機、手段・方法、内容の概略、計画などを述べる。また、核熱利用システムに関連して、エネルギー貯蔵、エネルギー輸送、エネルギー変換技術の現状についても概観すると共に、環境保全に対する価値判断において、エクセルギー及び環境の内部化経済の観点から探る。

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