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論文

Study on optimizing microwave heating denitration method and powder characteristics of uranium trioxide

瀬川 智臣; 川口 浩一; 加藤 良幸; 石井 克典; 鈴木 政浩; 藤田 峻也*; 小林 昌平*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 9 Pages, 2019/05

硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から混合酸化物への転換において、マイクロ波加熱脱硝法が利用されている。マイクロ波加熱の効率性及び均質なUO$$_{3}$$粉末を製造するための加熱均一性の向上を目的とし、塩化カリウム寒天及び硝酸ウラニル溶液のマイクロ波加熱試験、並びに数値シミュレーションによる解析を実施した。硝酸ウラニル溶液の誘電損失に調整した塩化カリウム寒天を用いたマイクロ波加熱試験により、マイクロ波加熱脱硝に最適なサポートテーブル高さは50mmとなることを確認した。また、断熱材を用いた硝酸ウラニル溶液のマイクロ波加熱試験により、脱硝時間の短縮によるエネルギー利用効率の向上及び脱硝体の剥離性が改善による収率の向上を確認した。さらに複数のサンプリング位置において採取したUO$$_{3}$$について、いずれも粉末特性が改善し高密度のペレットが作製可能となることが明らかになった。断熱材を設置することで硝酸ウラニル溶液のマイクロ波加熱の均一性が向上することが数値シミュレーションにより示された。

論文

Mechanism of flashing phenomena by microwave heating and influence of high dielectric constant solution

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

Proceedings of 11th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-11) (Internet), 7 Pages, 2018/11

使用済燃料の再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をマイクロ波加熱脱硝法により、酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物粉末に転換しており、今後、量産規模の脱硝技術を開発する上で、マイクロ波加熱時の突沸及び噴きこぼれ防止のために運転条件の把握が求められる。本研究において、溶液の誘電率の増加に伴い熱伝導係数が低下することを明らかにした。また、噴き上げ現象においては気泡成長よりも無数の微小気泡の発生が支配的に影響を及ぼすと考えられる。

論文

Mechanism of flashing phenomena induced by microwave heating

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一; 加藤 良幸; 石井 克典

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 8 Pages, 2018/07

使用済燃料を再処理する工程において、マイクロ波加熱脱硝法により、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物粉末を製造している。将来に向けた量産規模の脱硝技術開発において、マイクロ波加熱時の沸騰中の突沸及び噴きこぼれを防止するため、十分に運転条件を把握することが求められる。本研究においては、高誘電損失の硝酸ウラニル水溶液の模擬物質として塩化カリウム水溶液において、KCl濃度の増加に伴う誘電損失の増加に伴い、溶液表面でマイクロ波が損失することを実験及び電磁場解析により確認し、加熱状態の変化が突沸の発生に影響を及ぼすことを明らかにした。

論文

Flushing phenomena and flow structure by microwave heating

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 長南 史記*; 湯浅 朋久*; 八巻 辰徳*; 瀬川 智臣; 山田 美一

Proceedings of 25th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25) (CD-ROM), 8 Pages, 2017/07

核燃料サイクルにおける使用済み燃料の再処理の転換工程においてマイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び噴き零れを避ける運転条件を十分に把握する必要がある。マイクロ波加熱時の突沸現象を明らかにするため、突沸の発生について高速度カメラによる詳細な観察を実施した結果、マイクロ波照射により加熱が進行し単一気泡による突沸に至るケース、気泡の生成と停止が間欠的に起こり、最終的に単一気泡による突沸に至るケース、気泡生成を伴わず蒸発が進行するケースの3種類に分類できることを明らかにした。また、突沸を引き起こす単一気泡周辺の流れ構造の可視化に成功した。さらに、液体表面の微小気泡を観察し、その生成と成長に対する必要熱量とマイクロ波加熱に伴う放出熱量との比較評価を行い、突沸と微小気泡との関係性を明らかにした。

論文

Ion irradiation effects on the optical properties of tungsten oxide films

永田 晋二*; 藤田 遥*; 井上 愛知; 山本 春也; 土屋 文*; 四竈 樹男*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 268(19), p.3151 - 3154, 2010/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.53(Instruments & Instrumentation)

表面に触媒層を堆積させた三酸化タングステン(WO$$_{3}$$)膜は、水素に曝すと着色することから水素検知素子への応用が期待されている。WO$$_{3}$$膜の着色は、WO$$_{3}$$膜へのカチオンの導入、又は酸素空孔の形成によると考えられているが、水素による着色との関係は十分に理解されていない。そこで本研究では、イオン照射による酸素空孔の形成とWO$$_{3}$$膜の光学吸収特性への影響を調べた。スパッタリング法によりSiO$$_{2}$$基板上に作製したWO$$_{3}$$膜に対して200$$sim$$800keVに加速した酸素のイオンビーム照射を行い、WO$$_{3}$$膜の光学吸収係数の変化を測定した。その結果、照射量の増加とともにWO$$_{3}$$膜の着色が進み、光学吸収係数の変化は、酸素原子にはじき出しに関係する核的阻止能のみならず電子的阻止能を加えた値に依存することを見いだした。この結果からWO$$_{3}$$膜の着色は、イオン照射における電子励起にも起因することが示唆された。

口頭

酸化タングステン膜の光学特性におよぼす水素イオン注入の影響

井上 愛知; 藤田 遥*; 山本 春也; 永田 晋二*; 吉川 正人; 四竈 樹男*

no journal, , 

水素解離触媒を担持した三酸化タングステン(WO$$_{3}$$)薄膜を水素に曝すと、解離した水素原子がWO$$_{3}$$内部へ侵入し、W原子の価数が変化することで、濃青に着色することがわかっている。そこで、今回は、WO$$_{3}$$膜中に水素をイオン注入する手法を用いて、侵入する水素量と着色の関係を定量的に調べた。試料として、SiO$$_{2}$$基板上に形成した非晶質WO$$_{3}$$膜(300nm)を用いたが、表面に50nmの金属タングステンを堆積させ、10keVのH$$_{2}$$$$^{+}$$イオン注入時のダメージを低減させ、3$$times$$10$$^{17}$$ions/cm$$^{2}$$まで照射した。その結果、5$$times$$10$$^{16}$$ions/cm$$^{2}$$までは、照射量の増加とともに波長650nmの吸光係数が線形的に増加したが、それ以上では飽和し、約4$$mu$$m$$^{-1}$$で留まった。このときの膜中水素濃度を反跳粒子検出法(ERDA)で定量したところ、吸光係数が飽和するには約0.2H/Wの水素侵入が必要であること、膜中水素濃度が約0.4H/Wまで増加しても吸光係数が変化しないことがわかった。このことから、着色に関与しない水素の侵入過程があると予想された。

口頭

RFプラズマで作成した酸化タングステン堆積膜のイオン照射効果

永田 晋二*; 藤田 遥*; 土屋 文*; 四竈 樹男*; 井上 愛知; 山本 春也

no journal, , 

酸素組成比の異なるタングステン酸化物(WO$$_{X}$$:X $$leq$$ 3)中における水素吸収・放出挙動を明らかにするため、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて試料作製時の酸素分圧を変化させながら作製した非晶質(nc-)WO$$_{X}$$膜(100$$sim$$400nm)について、その酸素組成比をラザフォード後方散乱法で、水素分布を反跳粒子検出法で調べた。作製直後のnc-WO$$_{3}$$膜にはH/W$$sim$$0.7程度の水素が蓄積するが、その表面にnc-WO$$_{X}$$層を堆積させた2層膜では水素量が少なく、加熱による水素放出も起こりにくかった。この2層膜に水素イオンを注入すると、注入水素はnc-WO$$_{3}$$層内へ拡散・捕捉されるが、熱処理によって2層膜を結晶化させると水素を注入しても拡散が起こらなくなった。このことから、核融合炉第一壁表面に形成されるnc-WO$$_{X}$$において、表面に酸素濃度の低いWO$$_{X}$$を形成させこれを結晶化させると、核融合燃料が第一壁に取り込まれる現象(トリチウムインベントリー)を抑制できると考えられる。

口頭

マイクロ波による突沸現象の発生機構

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 長南 史記*; 湯浅 朋久*; 八巻 辰徳*; 瀬川 智臣; 山田 美一

no journal, , 

核燃料サイクルの再処理工程において、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び吹き零れを避ける運転条件を十分に把握する必要がある。マイクロ波加熱時に生じる溶液の突沸現象の発生機構の解明を目的とし、核生成時の詳細観測を行い、突沸現象前後における熱量の関係から突沸現象の発生機構の考察を行った。気泡生成・成長に必要な熱量と突沸により放出された熱量を比較した結果、両者は概ね等しい値であることを確認した。突沸現象とは過熱液相から微小気泡が瞬時に無数に発生・成長することにより、水が急激に噴き出される現象であると考えられる。

口頭

マイクロ波加熱によるマイクロ波挙動と加熱特性

長南 史記*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 金川 哲也*; 藤田 峻也*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一

no journal, , 

核燃料サイクルにおいて、使用済み核燃料の再処理溶液からウラン・プルトニウム混合酸化物(MOX)を製造する際にマイクロ波加熱脱硝法が使用されている。処理能力向上のためにはマイクロ波加熱時の混合溶液の突沸・吹き零れといった過渡沸騰現象を防止し、装置や運転条件を最適化する必要がある。試料容器下部に設置した誘電体サポートがマイクロ波照射時の溶液の加熱特性に及ぼす影響を明らかにするため、加熱部位に対するサポート高さとの関係を評価した。被加熱物である水寒天の内部断面の温度分布測定により、その加熱部位は誘電体サポート高さの影響を受けることが判明した。また、電磁場解析シミュレーションにより、マイクロ波は定常波様となっており、被加熱物の加熱に強く影響していることが明らかとなった。

口頭

マイクロ波加熱による突沸現象の発生メカニズム

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一

no journal, , 

核燃料サイクルの再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をプルトニウム・ウラン混合酸化物(MOX)原料粉末に転換するため、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び噴き零れを避けるため、運転条件を十分に把握する必要がある。本研究では、マイクロ波加熱時に生じる突沸現象の発生機構の解明を目的として、液面近傍での微小気泡生成・成長挙動の可視化観測を行い、気泡径の計測、核生成頻度の算出により、微小気泡生成・成長に必要な熱量を推定した。突沸によって放出された熱量との比較検討を行った結果、突沸により放出される熱量と微小気泡生成・成長に必要な熱量がオーダーで一致することを確認した。

口頭

マイクロ波加熱による高誘電率溶液の加熱特性

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 山田 美一

no journal, , 

核燃料サイクルの再処理工程において、プルトニウム・ウラニル混合硝酸溶液をプルトニウム・ウラン混合酸化物(MOX)原料粉末に転換するため、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び噴き零れを避ける運転条件を十分に把握するとともに、対象物の誘電特性がそのマイクロ波加熱特性に及ぼす影響を評価し、装置や運転条件を最適化する必要がある。本研究では、物質の誘電率及び設置位置のマイクロ波加熱特性に及ぼす影響を評価することを目的として、高誘電率溶液の塩化カリウム水溶液及び寒天を用いた可視化観測及び電磁場解析による加熱部位の評価を行い、溶液の誘電率の増加により、沸騰挙動が大きく変化し、またマイクロ波のサポート高さの増加により、加熱特性に差が現れることを明らかにした。溶液の誘電損失係数の増加によりマイクロ波の半減深度が減少し溶液内部まで加熱されないため、突沸が起こりにくくなると考えられる。

口頭

マイクロ波加熱による突沸現象の機構解明

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一; 加藤 良幸; 石井 克典

no journal, , 

使用済み燃料の再処理工程において、マイクロ波加熱脱硝法により、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物(MOX)粉末を製造している。マイクロ波加熱脱硝法は沸騰現象を伴うことから、将来に向けた量産規模の脱硝技術開発において、突沸及び噴きこぼれを避ける運転条件を把握する必要がある。本研究では、マイクロ波加熱時の突沸現象の機構解明を目的とし、突沸時に瞬時に無数に発生する気泡の生成メカニズムについて考察を行った。気泡の不均質核生成時の接触角が177$$^{circ}$$Cの場合、不均質核生成頻度の理論値は実験値と概ね一致し、またその時の過熱度は35$$^{circ}$$Cに近いことがわかった。突沸時の噴き上げ現象の気泡生成メカニズムは、過熱液相内で不均質核生成により気泡が瞬時に大量に生成され、その気泡群が急激に成長することにより突沸現象に至ることを明らかにした。

口頭

マイクロ波加熱による突沸発生機構

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

核燃料サイクルにおける使用済み燃料の再処理転換工程において、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では過渡沸騰現象を伴うことから、突沸による噴きこぼれの発生を防止するための運転条件の把握やそのメカニズムの解明が求められる。本研究では、マイクロ波加熱による突沸発生機構の解明を目的として突沸のモデルを想定し、突沸時の可視化結果から気泡生成頻度・気泡体積を計算し、気泡の瞬時生成と成長のメカニズムについて考察を行った。マイクロ波加熱時の突沸現象のメカニズムとして、過熱液相内の不均質核生成によって固液界面ナノバブルが瞬時に大量に生成し、その気泡群が急激に成長した後、崩壊し、気泡内圧の放出によって激しく噴き上がる現象が生じると考えられる。

口頭

マイクロ波加熱における高誘電率溶液の加熱特性

小林 昌平*; 藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

使用済燃料の再処理工程において、マイクロ波加熱脱硝法が利用されている。将来に向けた量産規模の脱硝技術を開発する上で、マイクロ波加熱時の突沸及び噴き零れを避けるため、運転条件を十分に把握することが求められる。本研究において、模擬物質として塩化カリウム水溶液を用いて、塩化カリウムの濃度とマイクロ波出力をパラメータとして、突沸の発生する条件の評価を行い、塩化カリウムの濃度が増加するに従い、突沸現象が起こりにくくなることを明らかにした。

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