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三上 奈生*; 植木 祥高*; 芝原 正彦*; 相澤 康介; 荒 邦章*
International Journal of Multiphase Flow, 171, p.104688_1 - 104688_13, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Mechanics)For the analysis of anomalies in a steam generator (SG) of a sodium-cooled fast reactor (SFR), we evaluate the noise resistance of CNN-based acoustic identification methods of gas-liquid two-phase jets and produce visual explanations for their decisions. First, we introduce the water flow sound and the three types of gas-liquid jet sounds, which simulate the background noise and the anomaly sounds, respectively. Second, we produce time-frequency representations for various signal-to-noise ratios (SNRs) and employ AlexNet, VGG16, and ResNet18 to the identification of the gas-liquid two-phase jets. As a result, the best CNN of ResNet18 achieves more than 0.92 for SNR = 0, -4, -8, and -12 dB and 0.69 for SNR = -16 and -20 dB. This result indicates that our proposed methods can identify the flow states of gas-liquid two-phase jets in low-level noise environments and detect the gas-liquid two-phase jets even in high-level noise environments. Also, Grad-CAM suggests that ResNet18 focuses on one of the spectrum peaks of the water flow sound and all or part of the signal intensity pattern of the gas-liquid jet sounds. Our proposed methods lead to the safe operation and fast, accurate, and accountable analysis of anomalies in SFR.
三上 奈生*; 植木 祥高*; 芝原 正彦*; 相澤 康介; 荒 邦章
Proceedings of 17th International Heat Transfer Conference (IHTC-17) (Internet), 9 Pages, 2023/08
To increase the safety of sodium-cooled fast reactors, it is necessary to develop a method to identify the states of bubble jet flow caused when a heat transfer tube is damaged in steam generators (SGs). For this issue, we propose a novel state sensing method with time-frequency representations (TFRs) and convolutional neural networks (CNNs). This study consists of three phases. First, using water and air as simulant fluids to perform the proof of concept, pipe flow sound and bubble jet flow sound are acquired, each of which simulates normal and anomaly sound. Second, three TFRs are extracted from raw signals based on short-time Fourier transform (STFT), continuous wavelet transform (CWT), and synchrosqueezed wavelet transform (SWT). Third, typical CNNs including AlexNet, VGG16, and ResNet18 are introduced for the identification of pipe flow sound and three types of bubble jet flow sound. As a result, the model combining ResNet18 and STFT reaches the highest accuracy and correctly identifies 1984 out of 200 test data. These results demonstrate that our proposed method based on the acoustic identification of deep learning has great potential to sense the states of bubble jet flow in actual SFRs.
三上 奈生*; 植木 祥高*; 芝原 正彦*; 相澤 康介; 荒 邦章
Journal of Sound and Vibration, 561, p.117797_1 - 117797_14, 2023/05
被引用回数：1 パーセンタイル：64.13(Acoustics)In the present study, we focus on coupled waves of cylinder walls and an internal liquid, one of the important issues in various fluid machinery including nuclear reactors. The main objective of this study is to propose a novel method to predict coupled wave frequencies based on the cylindrical shell theory and wave equation with the consideration of the fluid added mass. First, we introduce the fluid added mass to consider the effects of the liquid mass. Second, we discuss the vibration behavior of cylinder walls and sound propagation of an internal liquid separately to describe the coupled wave theoretically. In this discussion, we derive dispersion relations of the cylinder walls and internal liquid based on the shell theory and wave equation in the cylindrical coordinates, respectively. To validate our proposed theory, we conduct an experiment on the coupled waves using a SUS304 pipe as a cylinder and water as an internal liquid. As a result of frequency analysis based on the power spectral density (PSD), we confirm that the coupled waves occur without any external vibration sources, and the vibration modes and the most prominent vibration mode vary with the flow rate of the internal water.
植木 祥高*; 橋本 俊作*; 芝原 正彦*; 相澤 康介; 荒 邦章
Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 5 Pages, 2023/05
In sodium-cooled fast reactors, coolant boiling in reactor cores is one of the important phenomena in the safety assessment. Our final target of the present study is to realize the acoustic anomaly detection of the boiling inception in actual reactors. In the actual environment, various sorts of noises are expectedly superposed on accidental boiling sounds. It is inevitable to distinguish the boiling sounds from the superimposing hostile disturbance with high accuracy. To achieve this, we utilize machine learning techniques and assess the feasibility of boiling sensing based on acoustic recognition and deep learning. In the present study, we employ an autoencoder to denoise boiling sounds, and a convolutional neural network to detect the boiling inception. The boiling acoustics have not been fully understood yet. In the present study, we find that some characteristics of the boiling acoustics are consistent with the resonance vibration of the heating body. This finding contributes to elucidating the physics of boiling acoustics.
三上 奈生*; 植木 祥高*; 芝原 正彦*; 相澤 康介; 荒 邦章
International Journal of Multiphase Flow, 159, p.104340_1 - 104340_8, 2023/02
被引用回数：4 パーセンタイル：57.18(Mechanics)この研究では、ナトリウム冷却高速炉(SFR)の蒸気発生器(SG)管の損傷によって引き起こされる液中への気泡噴流の検知に関するものである。本研究の主な目的は、気泡噴流に対して音響認識と深層学習に基づく新しい状態検知手法を開発することである。新しい手法の適用性を評価するために、模擬流体として水と空気を用いた概念検討を実施した。まず、SFRのSG管からの正常音と異常音をシミュレートする配管内流動音と気泡噴流音の取得と分析を行い、音響信号と特徴周波数の整理を行った。得られた試験結果を基に、ディープラーニングモデルを構築し、性能評価を実施した。その結果、提案したすべてのモデルは、ほぼ100.00%の精度で配管内流動音と気泡噴流音を識別できた。最も良いモデルでは、配管内流動音と3種類の気泡噴流音を99.76%の精度で識別できた。この結果は、深層学習による音響認識が実際のSFRにおけるバブルジェットの流れの状態を感知する大きな可能性を秘めていることを示唆している。
荒 邦章; 平林 勝*
CROSS T&T, (71), p.10 - 14, 2022/07
原子炉施設の過酷事故時に適用可能な超音波技術の応用による水素濃度モニターの開発を行なった。本報では超音波応用の原理や特徴の紹介から、開発成果として試作体の性能(測定精度,時間応答性など)や耐環境性能について解説する。併せて、開発技術の応用について紹介する。
畠山 望*; 三浦 隆治*; 宮本 直人*; 宮本 明*; 荒 邦章; 下山 一仁; 加藤 篤志; 山本 智彦
Journal of Computer Chemistry, Japan, 21(2), p.61 - 62, 2022/00
Na冷却高速炉の冷却系において、蒸気発生器伝熱管破損に伴う水リーク発生時のNa水反応で生成される水素、ならびに通常運転時に伝熱管から透過する水素の存在形態に着目して、理論計算により水素挙動を推定した。
相澤 康介; 荒 邦章; 日野 竜太郎; 平林 勝*
Proceedings of OECD/NEA Specialist Workshop on Advanced Measurement Method and Instrumentation for enhancing Severe Accident Management in an NPP addressing Emergency, Stabilization and Long-term Recovery Phases (SAMMI 2020) (Internet), 4 Pages, 2020/12
東京電力福島第一原子力発電所で発生した事故では、多くの計装システムが機能喪失に陥った。水素濃度計はサンプリング方式のため、電源等の喪失により機能を失った。そのため、サンプリング方式でない現場設置型の環境耐性を有する水素濃度計が求められている。上記の背景を踏まえ、日本原子力研究開発機構では、音響技術を用いた水素濃度計の開発を進めている。この測定原理は、水素の音速が早いことを利用し、水素濃度に応じた混合ガスの音速が変化することを検知するものである。本発表では、基本性能と環境条件への適用性評価を述べる。
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。
工藤 秀行*; 大谷 雄一*; 原 正秀*; 加藤 篤志; 石川 信行; 大高 雅彦; 永井 桂一; 斉藤 淳一; 荒 邦章; 井手 章博*
Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05
次世代ナトリウム冷却炉では、プラント経済性向上の観点から、使用済燃料の洗浄プロセスとして革新的な乾式洗浄プロセスを採用している。本論文は、グローブボックス内において、燃料ピンバンドルを模擬した試験体を用いた、ナトリウムを試験体の共存性、残存ナトリウム量に係る基礎試験の結果を報告するものである。
井手 章博*; 工藤 秀行*; 犬塚 泰輔*; 原 正秀*; 加藤 篤志; 石川 信行; 大高 雅彦; 永井 桂一; 斉藤 淳一; 荒 邦章
Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05
次世代ナトリウム冷却炉では経済性向上のために革新的な使用済み燃料の乾式洗浄プロセスを採用しており、本稿はナトリウムループを使った燃料バンドル規模の試験の結果を報告する。
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。
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。
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。
加藤 篤志; 永井 桂一; 荒 邦章; 大高 雅彦; 岡 伸樹*; 田中 昌子*; 大谷 雄一*; 井手 章博*
Proceedings of 2017 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2017) (CD-ROM), 8 Pages, 2017/04
高速炉の燃料取扱においては、使用済燃料集合体にナトリウムが付着しているため、冷却材に水を用いる使用済燃料プール(SFP)に移送される前に、残留ナトリウムの洗浄システムが備えられるが、SFPの水浄化能力等の観点からの設計負荷低減のため、残留ナトリウムの局限化が必要である。もんじゅで採用されたような湿式洗浄プロセスでは洗浄後にナトリウムがほとんど残留しない利点を有するものの、放射性液体廃棄物の発生や設備規模の観点から難点がある。一方、日本の次世代ナトリウム冷却高速炉開発では、高温のArガスと湿分を有するArガスによるナトリウム洗浄と残留ナトリウムの不活性化によりSFPに直接装荷可能な先進乾式洗浄システムを採用する計画である。本報では、本乾式洗浄システムに関する洗浄能力高度化や燃料取扱システムの適正化に係る研究開発の現状を報告する。
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
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.
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：4.14(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。
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：4 パーセンタイル：19.69(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.
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。
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：4 パーセンタイル：31.96(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。
