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論文

Current R&D status of thermochemical water splitting hydrogen production iodine-sulfur process in Japan Atomic Energy Agency, 1; Hydrogen production test and component development

竹上 弘彰; 野口 弘喜; 田中 伸幸; 岩月 仁; 上地 優; 笠原 清司; 今井 良行; 寺田 敦彦; 久保 真治

Proceedings of 9th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2018) (USB Flash Drive), 7 Pages, 2018/10

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉を熱源として利用する熱化学法ISプロセスによる水素製造法の研究開発を行っている。ISプロセスの実用化に向けて、主要反応器について耐食性及び処理性能に関する信頼性評価を完了し、これらの成果を基に、全系を実用工業材料で製作した100NL/h-H$$_{2}$$規模の連続水素製造試験装置を完成させた。本報では、これらのISプロセスの研究開発について、連続水素製造試験及び機器開発の現状・成果について報告する。

論文

Current R&D status of thermochemical water splitting hydrogen production iodine-sulfur process in Japan Atomic Energy Agency, 2; Reliability improvements of corrosion-resistant equipment

上地 優; 野口 弘喜; 竹上 弘彰; 田中 伸幸; 岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of 9th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2018) (USB Flash Drive), 7 Pages, 2018/10

原子力機構では、原子力を用いた水素製造法として、高温ガス炉の熱利用法として有力候補の一つである熱化学法ISプロセスに関する研究開発を実施している。原子力機構はこれまでに、ガラス及びフッ素樹脂材料を用いた試験装置により、連続1週間、30NL/hの水素製造を達成した。その後、実用工業材料を用いた主要反応器を製作し、プロセス腐食環境における健全性を確認した。これらの結果を基に、実用工業材料を用いた、水素製造量100NL/h規模の試験設備を建造した。このうちグラスライニング鋼材は、容器、配管及びセンサー保護管等に用いられ、重要な材料の一つである。本報では、グラスライニング製熱電対保護管の信頼性向上に関する技術的要件を整理するとともに、品質向上確認として実施したガラス層のFEM応力解析、熱サイクル試験、曲げ荷重試験及び腐食試験について報告する。

論文

R&D status on the thermochemical hydrogen production IS process in Japan Atomic Energy Agency

野口 弘喜; 竹上 弘彰; 上地 優; 田中 伸幸; 岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of European Hydrogen Energy Conference 2018 (EHEC 2018) (USB Flash Drive), p.249 - 250, 2018/03

工業材料製の連続水素製造試験設備によるプラント機器技術(耐食性、機器性能)及び運転手順の信頼性を確証する水素製造試験に取り組んでいる。本プロセスを構成する3つの反応工程(ブンゼン反応工程,硫酸分解反応工程, HI分解反応工程)を連結した連続水素製造試験を実施し、10NL/h、8時間の水素製造に成功した。この試験を通じて明らかとなった高濃度ヨウ素溶液を移送する耐食定量ポンプの軸封部に固体ヨウ素が蓄積し、ポンプが停止する課題に対し、固体ヨウ素の溶解除去を狙いとした、気液を併用して軸封部に流通させる軸バリアを開発した。本技術開発を用いることで、20NL/h、31時間と水素製造時間を延伸させることに成功した。

論文

R&D status in thermochemical water-splitting hydrogen production iodine-sulfur process at JAEA

野口 弘喜; 竹上 弘彰; 笠原 清司; 田中 伸幸; 上地 優; 岩月 仁; 会田 秀樹; 久保 真治

Energy Procedia, 131, p.113 - 118, 2017/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:1.43

ISプロセスは最も研究された熱化学水素製造プロセスである。現在、原子力機構は実用材料機器を用いた設備による試験の段階にある。主な課題は、プロセス全体の成立性と過酷な環境下での安定した水素製造の確証である。そのために、耐食材料を用いた水素製造能力100L/hの試験設備を作製した。初めに、工程ごとの試験により反応器や分離器の基礎的な性能を確認した。その後、全工程を接続して運転を行い、8時間連続での10L/hの水素製造に成功した。

論文

Current R&D status of thermochemical water splitting iodine-sulfur process in Japan Atomic Energy Agency

笠原 清司; 岩月 仁; 竹上 弘彰; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 上地 優; 小貫 薫; 久保 真治

International Journal of Hydrogen Energy, 42(19), p.13477 - 13485, 2017/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:24.53(Chemistry, Physical)

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉を熱源として利用する熱化学法ISプロセスによる水素製造法の研究開発を行っている。ISプロセスの実用化に向けて、主要反応器について耐食性及び処理性能に関する信頼性評価を完了し、これらの反応器を統合し全系を実用工業材料で製作した連続水素製造試験装置により2016年2月に10NL/h、8時間の水素製造を達成した。また、水素製造における熱効率向上を目指し、電解電気透析法(EED)に関する評価を行い、アノード側の硫酸精製の省略や、膜性能の向上により、大幅に必要熱量を低減できることを示した。本報では、これらのISプロセスの研究開発の現状・成果について報告する。

論文

IS process hydrogen production test for components and system made of industrial structural material, 2; H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ decomposition, HI distillation, and HI decomposition section

野口 弘喜; 竹上 弘彰; 上地 優; 田中 伸幸; 岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.1029 - 1038, 2016/11

原子力機構では、高温ガス炉の核熱利用技術として熱化学法ISプロセスの研究開発を行っている。工業材料を用いて100L/h規模の連続水素製造試験装置を製作した。初めに、本試験装置の各機器の機能確認を行うため、5つに分割された工程毎に試験を実施した。本報告では、5工程のうち、硫酸分解工程、HI蒸留工程及びHI分解工程の結果を示した。硫酸分解工程では、硫酸分解器による硫酸分解反応試験を行い、酸素製造量は供給硫酸量に比例することを示し、また、SO$$_3$$分解率は約80%であった。以上より、設計通りの性能を有していることを明らかにした。HI蒸留工程では、共沸以上のHIx水溶液を用いた蒸留試験を行い、塔頂から高濃度HI水溶液、塔底から共沸組成のHIx水溶液の生成を確認し、蒸留による分離が設計通りに行われていることを示した。HI分解工程では、HI分解器によるHI分解反応試験を行い、分解率約18%で安定した水素製造が可能であることを示し、設計通りの性能を有していることを示した。シリーズ(I)で示すブンゼン反応工程、HI濃縮工程の結果と合わせて、工程別試験を完了した。その後、これらの結果を基に、連続水素製造試験を実施し、8時間の水素製造に成功した。

論文

IS process hydrogen production test for components and system made of industrial structural material, 1; Bunsen and HI concentration section

田中 伸幸; 竹上 弘彰; 野口 弘喜; 上地 優; 岩月 仁; 会田 秀樹; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.1022 - 1028, 2016/11

原子力機構では、工業製材料を使用した100L/hr規模の連続水素製造試験装置を完成させた。連続水素製造試験に先立って、製作した各機器の機能確認を行うため、5つある工程の工程別試験をそれぞれ実施した。本発表では、5工程のうち、ブンゼン反応工程及びHI濃縮工程の結果を示した。ブンゼン反応工程では、供給された反応原料がブンゼン反応器において混合され、ブンゼン反応が進行しなければならない。反応原料のSO$$_{2}$$が全て溶液中に吸収されていることから、原料が確実に混合され、かつ、ブンゼン反応が速やかに進行していることを示し、ブンゼン反応器の機能が設計通りであることを明らかにした。HI濃縮工程では、製作した電解電気透析(EED)スタックを用いて、HI濃縮試験を実施した。その結果、既報の予測式に一致する濃縮性能を持つことを確認し、EEDスタックの機能確認を完了した。シリーズ(II)で示す硫酸工程, HI蒸留, HI分解工程の結果と合わせて、工程別試験を完了した。その後、これらの結果を基に、連続水素製造試験を実施し、8時間の水素製造に成功した。

報告書

熱化学水素製造法ISプロセスの実用材料製反応機器およびヨウ化水素濃縮技術に関する研究開発

久保 真治; 岩月 仁; 竹上 弘彰; 笠原 清司; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 上地 優; 小貫 薫

JAEA-Technology 2015-028, 32 Pages, 2015/10

JAEA-Technology-2015-028.pdf:23.69MB

熱化学水素製造法ISプロセスは、水素社会に向けた大量の水素を安定に供給できる水素製造技術の候補として期待されている。実用材料製反応機器の健全性及びヨウ化水素濃縮技術の研究を実施した。機器健全性の研究では、ISプロセスを構成する3つの反応工程について、実用材料製反応機器の試作試験を行った。ブンゼン反応工程では、フッ素樹脂被覆材等を素材とするブンゼン反応器を製作し、反応溶液を循環しつつ30回の熱サイクル負荷試験を行って健全性を確認した。硫酸分解反応工程では、炭化ケイ素製硫酸分解反応器を製作し、100時間の反応試験を行って健全性を確認した。同様に、ヨウ化水素分解反応工程では、ハステロイC-276を装置材料に用いてヨウ化水素分解反応器を製作し、100時間の反応試験を行って健全性を確認した。ヨウ化水素濃縮技術の研究では、カチオン交換膜を用いてHIx溶液を濃縮する電解電気透析法に取り組み、アノード液中の微量硫酸は濃縮挙動に影響しないことを見出して、HIx溶液の精製操作を簡略化できる可能性を明らかにした。さらに、Nafion膜及び放射線グラフト重合法で試作したETFE-St膜の性能を予測するため、Nernst-Planck式とSmoluchowski式に基づいてプロトン輸率, 水透過係数, 膜内IR損を定式化し、HIx溶液の電解電気透析における濃縮効率を支配する、膜におけるプロトン透過選択性、溶媒水透過性および膜の電気抵抗(IR損に伴なう電位差)の推算を可能にした。

論文

水の熱化学分解

小貫 薫; 野口 弘喜; 田中 伸幸; 竹上 弘彰; 久保 真治

表面科学, 36(2), p.80 - 85, 2015/02

水の熱化学分解による水素製造について、特にISプロセスに関する要素技術の研究開発状況を紹介する。熱化学水素製造法は熱エネルギーにより水を分解し水素を製造する。高温吸熱反応と低温発熱反応の反応サイクルが水分解に必要な自由エネルギーを生み出す。多くのプロセス構成が提案されてきたが、硫酸分解反応を高温吸熱反応に用いる硫黄系と呼ばれる一群の熱化学プロセスは常に研究者の関心を集めてきた。ISプロセスは硫黄系プロセスを代表する熱化学プロセスであり、これまでに、ISプロセスによる連続水分解の可能性が検証され、また、過酷なプロセス環境で用いる耐食性装置材料の候補材料も選定されている。現在、水素製造能力向上を目指して、分離膜技術の適用及び高性能触媒の開発研究が行われている。また、セラミックスのような候補材料を用いた反応器の開発が進められている。

論文

Boiling heat transfer characteristics of a sulfuric-acid flow in thermochemical iodine-sulfur cycle

野口 弘喜; 寺田 敦彦; 小貫 薫; 日野 竜太郎

Chemical Engineering Research & Design, 92(9), p.1659 - 1663, 2014/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:91.22(Engineering, Chemical)

硫酸蒸発器は熱化学法ISプロセスの主要機器の一つであり本器を設計するためには硫酸沸騰熱伝達率が必要となる。しかしながら実測値の報告例が無いため、これまで提案さている様々な熱伝達率予測式の適用性を実験的に確認する必要があった。そこで、ISプロセスで使用する濃度の硫酸(90wt%)を用いた沸騰熱伝達率測定試験を行なった。その結果、一般に広く使用されているNishikawa-Fujitaの式による予測値は実測値の半分程度であることが分かった。この式に代わり、二成分系沸騰熱伝達率予測式として知られているStephan-K$"o$rnerの式の適用を試みた。実験定数を最適化して本式を用いれば、実験結果を$$pm$$15%の精度で予測可能であることを明らかにした。これにより硫酸沸騰熱伝達率の予測式としてStephan-K$"o$rnerの式が適用可能なことをその実験定数および予測精度とともに示した。

論文

Flowsheet study of a multistage flash desalination system for cogeneration with high temperature gas-cooled reactor

上地 優; 野口 弘喜; 寺田 敦彦; Yan, X.

Proceedings of 22nd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-22) (DVD-ROM), 5 Pages, 2014/07

高温ガス炉は電気だけでなく高温熱を製作することができる。中東では水と電気を併産するコージェネレーションプラントに大きな需要があり、高温ガス炉ガスタービンシステムは有用であると考えられる。高温ガス炉の熱を用いて海水淡水化を行う場合、加圧水を用いた二次ループを介して行うこととなる。タービン廃熱は最大248MWt利用される。本論文では、新形式の多段フラッシュ方式海水淡水化プラントの熱物質収支を計算した。その結果、段数の増加に伴い、パフォーマンスレシオが徐々に増加することがわかった。また、2段のケースに比べ3段のケースでは、蒸発器の伝熱面積が28%減少し、コスト低減及び機器のコンパクト化に寄与することが示唆された。

論文

Integrity test on ceramics sulfuric acid decomposer in thermochemical iodine-sulfur process

野口 弘喜; 久保 真治; 岩月 仁; 田中 伸幸; 笠原 清司; 竹上 弘彰

Proceedings of 20th World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2014) (USB Flash Drive), 5 Pages, 2014/06

熱化学法ISプロセスの実用化に向けて、ISプロセスの厳しい腐食環境における実用工業材料製反応器の信頼性の検証が重要な課題の一つである。原子力機構では、ISプロセスの3つの反応工程について、各工程の主要な反応器を実用材料で試作し、実プロセス環境における反応器の信頼性確証試験を実施している。硫酸分解反応工程の主要機器である硫酸分解器では、硫酸沸騰及び高温での熱分解反応が行われるため厳しい腐食環境にさらされる。本環境で耐食性を有する炭化ケイ素を使用したバイヨネット型硫酸分解器を試作し、さらに、試作した硫酸分解器の実プロセス環境における信頼性を検証するための試験装置を製作した。本報では、反応器及び試験装置の概要、今後実施予定の分解器の性能試験、実プロセス環境における耐久性試験の計画を述べる。

論文

Components development for sulfuric acid processing in the IS process

野口 弘喜; 久保 真治; 岩月 仁; 笠原 清司; 田中 伸幸; 今井 良行; 寺田 敦彦; 竹上 弘彰; 上地 優; 小貫 薫; et al.

Nuclear Engineering and Design, 271, p.201 - 205, 2014/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.51(Nuclear Science & Technology)

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉の核熱を用いて水から水素を製造する熱化学法ISプロセスの研究開発を進めており、特に、ISプロセス機器の信頼性確証及びプロセス簡素化に向けた研究開発を行っている。ISプロセス機器の信頼性確証の一環として、硫酸工程の主要機器である硫酸分解器について、熱交換部をSiCセラミックス、マニフォールド部をグラスライニング材で構成されたバイヨネット型硫酸分解器を試作し、その製作性を示した。また、硫酸工程のプロセス簡素化が可能な直接接触熱交換器の設計に必要となる物質移動係数の測定方法を検討し、濡れ壁塔を用いた試験装置を設計・製作した。製作した試験装置を用いて水の物質移動係数を測定し、実験相関式と比較することにより試験装置の妥当性を確認し、硫酸の物質移動係数の測定準備が完了した。

報告書

オンサイト非破壊検査技術の開発; HTTRの内部構造可視化予備試験

竹上 弘彰; 寺田 敦彦; 野口 弘喜; 上地 優; 小野 正人; 高松 邦吉; 伊藤 主税; 日野 竜太郎; 鈴木 敬一*; 大沼 寛*; et al.

JAEA-Research 2013-032, 25 Pages, 2013/12

JAEA-Research-2013-032.pdf:3.56MB

本研究では、原子炉建屋外から非破壊で燃料デブリの位置情報を取得可能な技術の候補として、宇宙線ミューオンを用いた非破壊検査技術に着目した。この技術は地盤探査を目的として開発された技術であることから、原子炉内部調査への適用性を検証するため、既存のミューオン受光システムを用いて、大洗研究開発センターに設置されている高温工学試験研究炉(HTTR)の内部構造可視化予備試験を実施した。可視化予備試験の結果、同時計数法を用いたミューオン非破壊検査技術により、HTTR内部の炉心、コンクリートのような高密度の構造物が判別可能であることを示した。また、オンサイト測定における課題を検討した結果、既存装置の改良により対応可能であることを示した。

論文

Study of an incrementally loaded multistage flash desalination system for optimum use of sensible waste heat from nuclear power plant

Yan, X.; 野口 弘喜; 佐藤 博之; 橘 幸男; 國富 一彦; 日野 竜太郎

International Journal of Energy Research, 37(14), p.1811 - 1820, 2013/11

 被引用回数:12 パーセンタイル:17.36(Energy & Fuels)

GTHTR300発電システムの低温廃熱は、多段フラッシュ型(MSF)海水淡水化プラントに供給される。従来のMSFプラントでは、GTHTR300発電システムの廃熱温度の範囲において、単位排熱量当たりの最大淡水製造量を与える最適な蒸発室入口の塩水温度が存在する。海水淡水化プラントのより有効な性能向上に向けて、多くのステップで蒸発負荷を段階的に増加する新しいMSFの概念を提案する。提案したMSF概念では、同じフラッシュ段数と温度範囲を使用することで、従来のMSFと同様に運転することができる。また、MSFの最適化により、淡水製造量は、GTHTR300発電システムの発電性能に影響を及ぼすことなく45%増加させることができ、さらにGTHTR300発電システムの熱エネルギー利用率は85%に達することができる。

報告書

小型高温ガス炉の概念設計,4; プラント設計及び技術的成立性評価

大橋 弘史; 佐藤 博之; Yan, X.; 角田 淳弥; 野本 恭信; 田澤 勇次郎; 野口 弘喜; 今井 良行; 橘 幸男

JAEA-Technology 2013-016, 176 Pages, 2013/09

JAEA-Technology-2013-016.pdf:8.62MB

原子力機構は、小型高温ガス炉システムの開発途上国等への2030年代の世界展開を目指し、蒸気タービンによる発電、工業プロセスへの高温蒸気、及び地域暖房への低温蒸気供給を目的とした小型高温ガス炉システムの商用1号機あるいは実証炉と位置づけられるリファレンスの原子炉として、原子炉熱出力50MWtの小型高温ガス炉システム(HTR50S)の概念設計を進めている。本検討では、HTR50Sのプラント設計として、原子炉出口温度750$$^{circ}$$Cで発電,蒸気供給,地域暖房を行うシステムを対象としたうえで、原子炉出口温度900$$^{circ}$$Cへの高温化及び中間熱交換器の追設を考慮に入れ、プラント基本仕様及び各設備の設計要件に基づき、炉内構造物,原子炉圧力容器,炉容器冷却設備,停止時冷却設備,中間熱交換器,蒸気発生器及びヘリウムガス循環機,蒸気発生器隔離及びドレン設備,原子炉格納容器,発電設備及び熱供給設備の概念設計、並びに配置概念検討を実施した。これらの結果、各設備ともに設計目標を達成でき、小型高温ガス炉システムの概念設計の技術的成立性を示すことができた。本報は、小型高温ガス炉システムのプラント設計及び技術的成立性評価の結果について報告する。

報告書

ISプロセス信頼性試験装置(硫酸分解系機器)の安全対策

野口 弘喜; 久保 真治; 岩月 仁; 小貫 薫

JAEA-Technology 2013-020, 38 Pages, 2013/07

JAEA-Technology-2013-020.pdf:3.24MB

熱化学水素製造法ISプロセスでは、硫酸,二酸化硫黄,ヨウ化水素酸等の有害な化学物質を使用するため、試験研究を行う際には作業者の安全、外部への影響について十分な対策を講じる必要がある。現在、実用材料製の主要反応機器について、実プロセス環境における信頼性確認を目的としたISプロセス信頼性試験を進めており、ISプロセス信頼性試験装置(硫酸分解系機器)の設計・製作が完了した。本試装置では、腐食性流体(硫酸(H$$_{2}$$SO$$_{4}$$), 二酸化硫黄(SO$$_{2}$$)等)を取扱い、また、加圧条件で試験運転を行うため、本試験開始に先立ち、試験装置の安全対策、作業の安全対策及び異常時の対策について検討を行った。本報告書はこれらの検討結果を取りまとめたものである。

論文

Heat transfer enhancement effect of nanostructured surface made of carbon nanotube on SiC ceramics

野口 弘喜

Proceedings of 11th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels (ICNMM 2013) (CD-ROM), 5 Pages, 2013/06

SiCセラミックス製熱交換器の小型化を目指し、SiC表面分解法を用いてSiCセラミックス表面にカーボンナノチューブ(CNT)により形成されるナノ構造伝熱面を試作し、その伝熱促進効果を評価した。表面分解法により形成したCNTは母材の結晶方位の影響を受けるため、母材には常圧焼結SiCとCVD法により作製したSiC(CVD-SiC)を使用した。また、表面の濡れ性の影響を評価するために、CVD-SiCについては、濡れ性の異なる2種類のナノ構造伝熱面を作製した。作製したナノ構造伝熱面に対して水を冷媒とした対流熱伝達試験を行い、伝熱促進効果を評価した。その結果、親水性を示すナノ構造伝熱面でのみ伝熱促進効果が確認できたが、その効果はこれまで報告されている結果に比べると小さかった。これは、ナノ構造伝熱面の空孔サイズの違いが影響していると考えられる。また、ナノ構造伝熱面の伝熱促進効果には、表面の濡れ性が大きく関与していることがわかった。

報告書

ISプロセス信頼性試験(ブンゼン反応系機器)の安全対策

久保 真治; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 岩月 仁; 小貫 薫; 稲垣 嘉之

JAEA-Technology 2012-043, 41 Pages, 2013/02

JAEA-Technology-2012-043.pdf:7.74MB

熱化学水素製造法ISプロセスでは、硫酸,ヨウ素,ヨウ化水素酸等の有害な化学物質を使用するため、試験研究の実施に際しては作業者及び外部への影響に対する安全対策が重要である。現在、実用材料製反応機器を用いたISプロセス信頼性試験装置の製作を進めており、それらのうちブンゼン反応系機器の製作を完了した。本試験(ブンゼン反応系機器)は、腐食性溶液量の取扱量は約100リットルと比較的多く、また、加圧条件にて反応機能に着目した機能確認、耐食機能に着目した機器信頼性の確認を目的とするものである。本試験開始に先立ち、装置の安全対策、作業の安全対策及び異常時の対策について検討を行った。本報告書はこれらの検討結果を取りまとめたものである。

論文

A Small-sized HTGR system design for multiple heat applications for developing countries

大橋 弘史; 佐藤 博之; 後藤 実; Yan, X.; 角田 淳弥; 田澤 勇次郎*; 野本 恭信; 相原 純; 稲葉 良知; 深谷 裕司; et al.

International Journal of Nuclear Energy, 2013, p.918567_1 - 918567_18, 2013/00

原子力機構は、開発途上国等による2020年代の実証的高温ガス炉システムの建設を目指して、送電網が整備されていない中小都市向けの熱出力50MWの小型高温ガス炉(原子炉出口温度750$$^{circ}$$C及び900$$^{circ}$$C)の概念設計を実施した。設計思想は、地域暖房,プロセス熱供給,ガスタービン発電及び熱化学法による水素製造の実証試験等の多目的熱利用に係るユーザーの要請に応えることが可能なこと、HTTRの設計を基に特段の研究開発なしでHTTRより性能を向上させること、高温ガス炉の固有の特性及び受動的崩壊熱除去系を用いて安全性をより向上させることである。設計目標に対する設計結果及び代表的な事象に対する安全予備評価の結果、設計した小型高温ガス炉の技術的成立性を示すことができた。

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