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論文

Subchannel analysis of thermal-hydraulics in a fuel assembly with inner duct structure of a sodium-cooled fast reactor

菊地 紀宏; 今井 康友*; 吉川 龍志; 堂田 哲広; 田中 正暁; 大島 宏之

Journal of Nuclear Engineering and Radiation Science, 5(2), p.021001_1 - 021001_12, 2019/04

原子力機構では、先進ループ型ナトリウム冷却高速炉の設計検討における炉心損傷事故に対する安全対策の一つとしてFAIDUSと呼ばれる内部ダクトを有する燃料集合体の採用が検討されている。本研究では、サブチャンネル解析コード(ASFRE)を用いFAIDUS内の熱流動特性について調べた。FAIDUSの解析を実施する前に、模擬燃料集合体試験を対象として解析を行いASFREの妥当性を確認した。大型炉の内部ダクトのない典型的な燃料集合体と内部ダクトを有するFAIDUSを対象に高流量および低流量条件下での熱流動解析を実施し、FAIDUS内の温度分布について、内部ダクトのない燃料集合体と同様に顕著な非対称性が生じないことを示した。

論文

ナトリウム冷却高速炉の内部ダクトを有する燃料集合体内熱流動解析

菊地 紀宏; 今井 康友*; 吉川 龍志; 田中 正暁; 大島 宏之

日本機械学会関東支部茨城講演会2017講演論文集(CD-ROM), 4 Pages, 2017/08

ナトリウム冷却高速炉システムの安全性強化に係る概念構築の一環として、シビアアクシデント時に炉心が溶融する遷移過程において早期に溶融燃料を炉心部から排出し、炉心部での再臨界を排除するため、燃料集合体内に内部ダクトを有する燃料集合体(FAIDUS)の採用を検討している。この内部ダクトの存在により冷却材の偏流や温度分布の非対称性が生じることが懸念されることから、原子力機構で開発してきた高速炉燃料集合体内熱流動解析コードSPIRALを用い、FAIDUS内の熱流動特性を詳細に確認することとした。先進型ナトリウム冷却大型高速炉の定格条件(暫定条件)を境界条件とするFAIDUSの熱流動解析を実施した結果、従来の正六角管型集合体の熱流動特性と同様な傾向を示し、特異な温度分布を示さないことを確認した。

論文

Thermal-hydraulic analysis of fuel assembly with inner duct structure of an advanced loop-type sodium-cooled fast reactor using ASFRE code

菊地 紀宏; 今井 康友*; 吉川 龍志; 堂田 哲広; 田中 正暁; 大島 宏之

Proceedings of 25th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25) (CD-ROM), 12 Pages, 2017/07

先進ループ型ナトリウム冷却高速炉の設計検討において、高速炉の安全性向上のための方策の一つとしてFAIDUSと呼ばれる内部ダクトを有する燃料集合体の採用が検討されている。FAIDUSの設計実現性を確認するため、種々の運転条件下における熱流動評価が必要であり、本研究では、模擬燃料集合体を用いた試験を対象とした数値解析を通じ燃料集合体へのASFREコードの適用性を確認した後、内部ダクトのない燃料集合体とFAIDUSの熱流動解析を実施した。得られた結果からFAIDUS内に非対称な温度分布が生じず、FAIDUSの温度分布特性は内部ダクトのない燃料集合体と同様であることがわかった。特に、低流量条件において、浮力による局所的な流れの促進が流量再配分をもたらし、その影響により平坦な温度分布が形成されるとの知見を得た。

論文

Development of sodium-water coupled thermal-hydraulics simulation code for sodium-heated straight tube steam generator of fast reactors

吉川 龍志; 田中 正暁; 大島 宏之; 今井 康友*

Proceedings of 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-11) (USB Flash Drive), 12 Pages, 2016/10

高速炉直管型蒸気発生器の熱流動設計や安全性評価への適用を目的として、ナトリウム側-水側連成解析コードTSGの開発を進めている。CFDコードによるポーラスモデルを用いて伝熱管群における3次元熱流動解析を行うナトリウム側解析モジュールを整備し、マルチチャンネルモデルで伝熱管内二相流解析を行う水側解析モジュールを開発した。各モデルの再現性及び連成解析機能についての総合機能確認の一環として、実機SGと同じナトリウム加熱による2重管SG小型モデル試験を対象に検証解析を行った。複数の静特性試験ケースを対象に、試験で計測されたナトリウム側温度分布及び水側出口蒸気温度についてナトリウム側-水側連成解析による解析結果と比較した結果の妥当性を確認した。

論文

Development of numerical simulation system for thermal-hydraulic analysis in fuel assembly of sodium-cooled fast reactor

大島 宏之; 上羽 智之; 橋本 昭彦*; 今井 康友*; 伊藤 昌弘*

AIP Conference Proceedings 1702, p.040011_1 - 040011_4, 2015/12

原子力機構では、様々な運転条件下における高速炉燃料集合体内熱流動現象の解明を目的として、3つの熱流動解析プログラムと1つの変形解析プログラムで構成するシミュレーションシステムの開発を進めている。ここでは、システムを構成する各プログラムの数値解析手法と妥当性確認の概要を示す。

論文

高速炉模擬燃料集合体内ワイヤピン周りの詳細流動解析

菊地 紀宏; 大島 宏之; 今井 康友*; 檜山 智之; 西村 正弘; 田中 正暁

日本機械学会関東支部茨城講演会2015講演論文集, p.179 - 180, 2015/08

ナトリウム冷却型高速炉の経済性向上策の一つとして燃料の高燃焼度化が挙げられるが、その実現にはスエリング等による燃料ピン変形状態および変形時の燃料集合体内の熱流動現象を詳細に評価する必要がある。原子力機構では、燃料集合体熱流動詳細解析コードSPIRALを整備し、種々の検証解析を実施し、コード適用性を確認してきた。本報では、燃料ピン周りの詳細な速度分布が得られている3本ピン水試験を対象に試験解析を実施し、集合体内の速度場を精度よく再現できることを確認した。これにより、燃料集合体内ギャップ部における流れ場に対し、SPIRALに組み込まれたHybrid型乱流モデルが高い適用性を持つことを示した。

報告書

直管型蒸気発生器3次元熱流動解析コードTSG; 水側解析モジュールのユーザーズマニュアル

吉川 龍志; 大島 宏之; 田中 正暁; 今井 康友*

JAEA-Data/Code 2014-034, 84 Pages, 2015/03

JAEA-Data-Code-2014-034.pdf:2.35MB

高速炉直管型2重伝熱管蒸気発生器の熱流動解析コードTSG(Three-dimensional Thermal-hydraulics Analysis Code for Steam Generators)を開発している。TSGコードは、直管型SGナトリウム側3次元解析と水側マルチチャンネル解析を連成したSG熱流動解析システムである。ナトリウム側は汎用CFDコードFluentによるポーラスボディ解析モデルを採用して3次元流れ場を解析する。水側の自作モジュールはドリフトフラックスモデルを採用して全チャンネルの二相流動を解析する。伝熱管を介した熱交換を通信することでナトリウム側と水側をカップリングしSG熱流動性能を評価する。本報告書は、TSGの水側モジュールの使用説明書として、同モジュールで扱われる計算モデル,インプット,アウトプットについて取りまとめたものである。

論文

Study on flow in the subchannels of pin bundle with wrapping wire

西村 正弘; 檜山 智之; 上出 英樹; 大島 宏之; 長澤 一嘉*; 今井 康友*

Proceedings of 9th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-9) (CD-ROM), 7 Pages, 2014/11

The detailed flow velocity distribution in the edge subchannel has been obtained by PIV measurement using a wire-wrapped 3-pin bundle water model. These flow field data like flow velocity distribution and fluctuation intensity near the wrapping wire are available for code validation.

論文

低濃度気泡流解析コードの開発

伊藤 啓; 高田 孝*; 大野 修司; 粉川 広行; 上出 英樹; 今井 康友*; 河村 拓己*

日本機械学会論文集,B, 79(808), p.2630 - 2634, 2013/12

ナトリウム冷却高速炉の1次冷却系統内には、微小気泡・溶存ガスの形態で不活性ガスが存在している。また、J-PARCの水銀ターゲットループ内には、キャビテーション抑制用のマイクロバブルが存在している。これらの気泡挙動について評価するため、著者らは低濃度気泡流解析コードVIBULの整備を進めている。本研究では、気泡キャリーアンダー等の新たなモデルを構築・導入し、水銀ターゲットループを対象とした解析を行う。

報告書

液体金属流れ中の気泡・溶存ガス挙動解析コードの開発

伊藤 啓; 大野 修司; 上出 英樹; 粉川 広行; 二川 正敏; 河村 拓己*; 今井 康友*

JAEA-Research 2013-008, 117 Pages, 2013/10

JAEA-Research-2013-008.pdf:6.55MB

ナトリウム冷却大型高速炉では、1次冷却系統内に存在する気泡・溶存ガスによる炉心反応度擾乱や熱交換器性能低下などが懸念されており、冷却系統内における気泡・溶存ガス挙動を把握することは、高速炉の安定運転を担保するうえで重要である。また、J-PARCの水銀ターゲットシステムにおいては、キャビテーションによる構造材壊食を抑制するために微小気泡を注入しているが、熱交換器におけるガス蓄積を防止するため、微小気泡の挙動を評価することが課題となっている。原子力機構では、液体金属流れ(主として高速炉1次冷却材流れ)中の気泡・溶存ガス挙動を評価するため、フローネットワーク型の解析コードVIBULの整備を進めており、本研究では、解析精度向上を目的としたVIBULコードの改良と、水銀ターゲットシステムに適用するために必要なモデルの開発を行った。

報告書

渦モデルによるガス巻込み・液中渦評価手法の研究; 実規模試験に対するガス巻込み評価手法の適用性検討および液中渦評価手法の基礎的検討

伊藤 啓; 江連 俊樹; 大野 修司; 上出 英樹; 中峯 由彰*; 今井 康友*

JAEA-Research 2013-007, 75 Pages, 2013/10

JAEA-Research-2013-007.pdf:5.21MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)では、ナトリウム冷却大型高速炉(JSFR)の安全設計クライテリア構築の一環として、原子炉容器内上部プレナム部におけるさまざまな熱流動現象の評価を行っている。自由液面におけるカバーガス巻込み及びホットレグ配管入口部における液中渦キャビテーションは重要な評価対象であり、前者は1次冷却系統内への気泡混入によって炉心出力擾乱やIHX除熱性能劣化など高速炉の安定運転に影響を及ぼす可能性があるため、後者は構造物(配管)健全性確保の観点から、その発生を抑制することが重要である。どちらの現象も、強い旋回渦の発生による渦中心での圧力低下に伴って発生するため、現象評価のためには渦挙動を正確に模擬できる手法が必須である。そこで、JAEAでは、数値解析と渦モデルを用いたガス巻込み評価手法の構築を進めている。本研究では、実規模ガス巻込み現象への適用性確認を目的として、1/1.8縮尺試験を対象とした評価を行う。また、液中渦に対する圧力降下量や代表圧力等の評価を行うため、ガス巻込み発生評価手法を拡張することで液中渦評価手法を開発し、液中渦基礎試験を対象とした検証を行う。

論文

Investigation on velocity distribution around the wrapping wire in an inner subchannel of fuel pin bundle

西村 正弘; 佐藤 博之; 上出 英樹; 大島 宏之; 長澤 一嘉*; 今井 康友*

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 10 Pages, 2012/07

ナトリウム冷却型高速炉で採用されているワイヤスペーサ型燃料ピンバンドル中の冷却材流動を把握するとともに、詳細熱流動解析コードの検証のため、3本ピンと変形ダクトから構成される2倍スケールの水試験用模擬試験体を使用してPIVによりサブチャンネル内の流速分布を計測した結果と、開発中のFEMコードSPIRALによる計算結果について報告する。

論文

Study on turbulent modeling in gas entrainment evaluation method

伊藤 啓; 大島 宏之; 中峯 由彰*; 今井 康友*

Journal of Power and Energy Systems (Internet), 6(2), p.151 - 164, 2012/06

ナトリウム冷却高速炉におけるガス巻込み現象を評価するため、CFDに基づく評価手法の整備を進めている。本研究では、ガス巻込み現象の評価精度向上のため、乱流渦粘性モデルの構築と検証を行う。乱流渦粘性モデルを導入した評価手法によって、従来の手法よりも短いガスコア長さが得られ、試験結果との整合性が向上することを示す。

論文

Study on turbulent modeling in gas entrainment evaluation method

伊藤 啓; 大島 宏之; 今井 康友*

Proceedings of 19th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-19) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/05

ナトリウム冷却大型高速炉の設計研究において、自由液面渦によって誘起されるガス巻込み現象を抑制することが重要である。しかし、ガス巻込み現象の非線形性や局所性のため、ガス巻込み発生を正確に予測するのは簡単ではない。このため、著者らは、非線形性や局所性を考慮できる数値解析に基づく評価手法の構築を進めている。本研究では、ガス巻込み現象の評価精度向上のため、乱流渦モデルを開発し、基礎実験におけるガスコア長さを評価対象として検証を行う。改良したガス巻込み評価手法によって求められたガスコア長さは、従来の評価結果よりも短いものとなり、実験結果に近づいた。

報告書

ガス巻込み評価手法の高度化に関する研究

伊藤 啓; 大島 宏之; Xu, Y.*; 今井 康友*

JAEA-Research 2010-063, 58 Pages, 2011/03

JAEA-Research-2010-063.pdf:2.09MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、FBRサイクル実用化研究開発(FaCTプロジェクト)においてナトリウム冷却高速炉の設計研究を進めている。実用炉の設計概念においては、経済性向上のために出力に比してコンパクトな炉容器を指向しているため、炉容器内の流速が相対的に速くなり、自由液面におけるカバーガス巻込みの発生が懸念されている。ガス巻込みによって気泡が1次冷却系統内に混入すると、炉心出力の擾乱,IHXにおける除熱性能劣化など高速炉の安定運転に影響を及ぼす可能性があるため、ガス巻込みの抑制は設計成立上重要である。そこで、JAEAでは、数値解析を利用したナトリウム冷却炉におけるガス巻込み発生評価手法の構築を進めている。本研究では、作動流体物性値によるガスコア長さの過大評価を抑制するため、表面張力の効果を考慮した表面張力モデル及び乱流粘性の効果を考慮した乱流粘性モデルを開発し、水及びナトリウムにおけるガス巻込み試験を対象としてモデルの検証を行った。

論文

Numerical simulation of flow field in wire-wrapped fuel pin bundle of sodium cooled fast reactor using "SPIRAL"

大島 宏之; 今井 康友*

Proceedings of 5th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-5), p.480 - 487, 2006/11

有限要素法コードSPIRALを用いて、高速炉のワイヤースペーサ型燃料集合体体系における流れ場の数値シミュレーションを実施した。このシミュレーションではメッシュ分割の解に与える影響や、3つの高レイノルズ数型乱流モデル,修正k-eモデル,RNG k-eモデル,代数応力モデルの予測特性を明らかにした。また、コード検証の一環として、19本ピンバンドル解析を実施し実験データとの比較により、その妥当性を確認した。

論文

Validation study of thermal-hydraulic analysis program "SPRAL" for fuel pin bundle of sodium-cooled fast reactor

大島 宏之; 今井 康友*

Proceedings of 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-11) (CD-ROM), 14 Pages, 2005/10

ナトリウム冷却高速炉の燃料集合体内における様々な運転条件での熱流動現象を解明することを目的として、数値シミュレーションシステムの開発を行なっている。本研究は、このシステムを構成する1つの解析コードで、ワイヤースペーサ型燃料集合体内の局所詳細解析に適用されるSPIRALについて、検証解析を実施した。基本問題を解くことにより、質量,運動量,エネルギー保存に関する妥当性を確認するとともに、複数組み込まれた乱流モデルの予測特性を把握した。また、4本ピンバンドル試験解析より、バンドル体系での予測精度を確認した。

報告書

燃料集合体変形解析コードBAMBOOと熱流動解析コードASFRE-IVによるバンドル変形・熱流動連成解析

伊藤 昌弘*; 今井 康友*; 上羽 智之; 大島 宏之

JNC-TN9400 2004-003, 40 Pages, 2004/03

JNC-TN9400-2004-003.pdf:0.83MB

変形が生じた高速炉燃料集合体の健全性評価に向けて、燃料集合体変形解析コードBAMBOOと熱流動解析コードASFREおよびその連成機能の整備を行っている。連成アルゴリズム構築とその検証の一環として、原子炉起動直後の状態を対象とした燃料ピンバンドルの変形と熱流動の連成解析を実施した。

報告書

高速炉燃料集合体内詳細熱流動解析手法の開発(2); 乱流モデルの導入

大島 宏之; 大島 宏之; 今井 康友*

JNC-TN9400 2003-045, 74 Pages, 2003/06

JNC-TN9400-2003-045.pdf:3.05MB

高燃焼度燃料など高性能化を目指した高速炉燃料集合体の熱流動評価手法として、サブチャンネル解析手法と複雑空間内詳細熱流動解析手法を組み合せた解析評価システムを構築している。これは、実験では解明が困難な熱流力特性を数値実験によって予測可能とし、合理的な安全設計評価に寄与することを目的とするものである。本報告書は、このシステムを構成する詳細熱流動解析コードSPIRAL-IIの開発に関して、新たに導入した乱流モデルとその基本検証解析について記述するものである。 乱流モデルとしては、標準型k-$$epsilon$$2方程式モデルに加えて、より経験定数が少なく且つ低レイノルズ領域で精度が良いとされるRNG型k-$$epsilon$$モデル、および非等方性モデルである代数応力モデル(ASM)の組み込みを行った。いずれのモデルも同型の乱流エネルギーk及び散逸率$$epsilon$$の輸送方程式をGalerkin法で離散化して解くが、ASMにおいては拡散項にDaly-Harlowモデルが適用される。ASMではk及び$$epsilon$$等から代数式によりレイノルズ応力を求めるため、反復法(Newton-Raphson法)を用いた。壁境界条件としては、いずれのモデルを使用する際にも壁関数(Reichardt関数)を適用した。 基本検証解析として、平行平板間流れ、バックステップフロー、矩形ダクト内流れ解析を行った。これらの結果から3つの乱流モデルの予測特性を把握するとともに、その妥当性を確認した。

報告書

バンドル変形解析コード"BAMBOO"と熱流力解析コード"ASFRE-IV"の連成解析のためのコード整備

上羽 智之; 伊藤 昌弘*; 大島 宏之; 今井 康友*

JNC-TN9400 2003-026, 132 Pages, 2003/04

JNC-TN9400-2003-026.pdf:6.16MB

高燃焼度化によって変形が生じたナトリウム冷却高速炉のワイヤースペーサ型燃料集合体の健全性評価を目的として、変形・熱流動シミュレーションシステムの開発を行っている。本件は、このシステム開発の一環として、燃料集合体変形解析コードBAMBOOと集合体内熱流動解析コードASFRE-IVの連成解析を可能とするためのコード整備を実施したものである。 BAMBOOについては、ASFRE-IV側から提供される冷却材温度分布データを読み込み、BAMBOO内での温度定義点に展開する機能を追加するとともに、変形の解析結果からASFRE-IVで使用する形状パラメータ群を算出する機能を加えた。一方、ASFRE-IVに関しては、サブチャンネルの変形形状模擬機能を組み込むとともに、解析結果である冷却材温度データをBAMBOO用に出力する機能、BAMBOOから提供される形状パラメータ読み込み機能を新たに追加した。機能追加・改良した2つのコードの機能検証として、169本燃料ピンバンドル体系を対象として連成解析を実施した。解析の結果、燃料ピンの変形および流路変形に伴う熱流動挙動変化に関して、物理的に妥当な解が得られることを確認した。

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