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論文

Experiments of melt jet-breakup for agglomerated debris formation using a metallic melt

岩澤 譲; 杉山 智之; 阿部 豊*

Nuclear Engineering and Design, 386, p.111575_1 - 111575_17, 2022/01

In severe accidents in a light water reactor, the relocated molten core (so-called corium or melt) can form a debris bed. The debris bed coolability is a critical issue for prevention and mitigation of the molten core-concrete interactions. Agglomeration has a serious impact on assessment of debris bed coolability if agglomeration forms massive debris (so-called agglomerated debris) by merging of melt particles with others when the melt particles accumulate on a floor. This paper presents the results of melt jet-breakup experiments for agglomerated debris formation using a simulant metallic melt. The experiments injected a melt jet of a low-melting point metal through a circular nozzle into a test section filled with coolant water. The particles were generated due to the melt jet-breakup accumulated on to a catcher, which is a flat plate made of stainless steel, installed in the test section. A high-speed video camera imaged particle formation and accumulation on the catcher plate. Agglomerated debris was confirmed by morphological investigation of the recovered debris. The experimental results revealed the effects of the melt jet injection conditions (melt temperature, coolant temperature, and coolant depth) on the mass fraction of agglomerated debris. On the basis of the experimental results, we proposed a simple correlation to estimate the mass fraction. The simple correlation successfully reproduced the mass fraction of agglomerated debris obtained in the DEFOR-A test [Kudinov et al., Nucl. Eng. Des., 301 (2013), 284-295]. The experimental data base presented in this paper makes further contributions to the modeling and validation of mechanistic models or simulation tools for agglomerated debris formation.

論文

The Analysis for Ex-Vessel debris coolability of BWR

松本 俊慶; 岩澤 譲; 安島 航平*; 杉山 智之

Proceedings of Asian Symposium on Risk Assessment and Management 2020 (ASRAM 2020) (Internet), 10 Pages, 2020/11

本研究では、事前注水した格納容器内デブリの冷却確率を評価した。まず、落下溶融物条件を求めるため、シビアアクシデント解析コードMELCORによる不確かさ解析を行った。この解析では炉心の溶融・移行過程に関連する5つの不確かさパラメータを選択し、仮定された確率分布を用いて、ラテン超方格法(LHS)により入力パラメータセットを生成した。これを用いたMELCORによる多ケース解析の結果から落下溶融物条件を抽出した。次に、MELCOR解析結果をもとに、パラメータの確率分布を決定し、LHSにより生成した59個のパラメータセットを用いてJASMINEコードによる水中の溶融物挙動の解析を行った。水位の条件は0.5m, 1.0m及び2.0mとした。広がり半径とデブリ質量の解析結果からデブリの堆積高さを求め、判定基準と比較することで冷却の成否判定を行った。以上の一連の解析の結果、デブリ冷却の成功確率を求めた。また、MELCOR及びJASMINEを組み合わせた冷却性解析の課題について論じた。

論文

Development of a multiphase particle method for melt-jet breakup behavior of molten core in severe accident

Wang, Z.; 岩澤 譲; 杉山 智之

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 12 Pages, 2020/08

In a hypothetical severe accident in a light water reactor (LWR) nuclear power plant, there is a possibility that molten core released from the reactor vessel gets in contact with water in the containment vessel. In this so-called fuel-coolant interactions (FCIs) process, the melt jet will breakup into fragments, which is one of the important factors for a steam explosion, as a potential threat to the integrity of the containment vessel. In order to investigate the melt-jet breakup with solidification processes, a multiphase particle method is developed in this study. Benefiting from its Lagrangian description and meshless framework, the large deformed interfaces could be directly and easily captured by the particle motions. A simple transient heat conduction test is firstly carried out. Two important multiphase instabilities, namely the Rayleigh-Taylor instability and the Kelvin-Helmholtz instability, are studied since they play important roles during the melt-jet breakup. After that, a bubble rising benchmark is performed to show the feasibility of modelling for deformation and collapse. The results achieved so far indicates that the developed particle method is capable to analyze the melt-jet breakup with solidification processes.

論文

Formation of agglomerated debris in jet-breakup experiment using metallic melts

岩澤 譲; 杉山 智之; 丸山 結; 金子 暁子*; 阿部 豊*

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 6 Pages, 2019/05

For evaluation of the debris coolability, agglomeration, which is merging of melt particles with the others and formation of massive debris, is critical in the severe accidents in light water reactors. We carried out small-scale experiments of agglomerated debris formation using metallic melt to establish a data base for modelling and validation. Molten metal of low melting point was ejected into a test section filled with water though a nozzle. A high-speed video camera recorded images of settlement of the melt particles generated form a melt jet onto a plate located in the test section. After the melt injection, we collected the debris and investigated detailed shapes of the debris. Based on the results, we assessed the feasibility of the experiments of agglomeration using the metallic melt.

論文

Numerical study on influence of Ohnesorge number and Reynolds number on the jet breakup behavior using the lattice Boltzmann method

岩澤 譲*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 金川 哲也*; 齋藤 慎平*; 松尾 英治*; 海老原 健一; 坂場 弘*; 小山 和也*; 成合 英樹*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 7 Pages, 2015/05

高速炉の炉心溶融事故時における事故後冷却性評価のために、冷却材中にジェット状に射出された溶融燃料の微粒化挙動を詳細に把握することが望まれている。本研究では、粘性がジェット挙動に与える影響を調べるために、3次元二相流体格子ボルツマンモデルを用いたジェット挙動の数値シミュレーションを行い、結果をオーネゾルゲ数とレイノルズ数で整理した。結果として、ジェット挙動の評価には、ジェットの粘性と同様に冷却材の粘性の影響も考慮する必要があることを示した。

論文

格子ボルツマン法によるジェットブレイクアップ挙動解析

松尾 英治*; 阿部 豊*; 岩澤 譲*; 海老原 健一; 小山 和也*

日本機械学会論文集(インターネット), 81(822), p.14-00409_1 - 14-00409_20, 2015/02

ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故を想定した場合、溶融炉心材料の冷却材へのジェットのブレイクアップ挙動を理解することが必要であることから、流体力学的相互作用によるジェットブレイクアップ挙動を格子ボルツマン法(LBM)を用いシミュレーションした。まず、実験との比較により、LBMのジェットブレイクアップシミュレーションへの適用可能性を検証した。さらに、ウェーバー数及びフルード数などの無次元数の影響をLBMを使って調べた。その結果、ジェット界面が不安定になる場合、ジェットブレイクアップ長さはフルード数に依存せず、エプスタインの相関式とよく一致することが分かった。なお、本論文は、日本機械学会第18回動力・エネルギー技術シンポジウムでの発表内容を詳細にまとめたものである。

論文

格子ボルツマン法HCZモデルによるジェットブレイクアップ挙動評価,1; ブレイクアップ長さの評価

松尾 英治*; 阿部 豊*; 岩澤 譲*; 海老原 健一; 金子 暁子*; 坂場 弘*; 小山 和也*

第18回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.75 - 76, 2013/06

ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故を想定した場合、溶融炉心材料の冷却材へのジェットのブレイクアップ挙動を理解することが必要であることから、格子ボルツマン法HCZモデルを用いジェットブレイクアップをシミュレーションした。まず、実験との比較により、格子ボルツマン法HCZモデルのジェットブレイクアップシミュレーションへの適用可能性を検証した。さらに、シミュレーションによる感度解析により、ジェットブレイクアップの支配因子が流体力学的微粒化である場合、ジェットブレイクアップ長さはエプスタインの相間とほぼ一致することがわかった。

論文

格子ボルツマン法HCZモデルによるジェットブレイクアップ挙動評価,2; ブレイクアップに及ぼす周囲流動場の影響

岩澤 譲*; 阿部 豊*; 松尾 英治*; 海老原 健一; 金子 暁子*; 坂場 弘*; 小山 和也*

第18回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.77 - 78, 2013/06

ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故を想定した場合、溶融炉心材料の冷却材へのジェットのブレイクアップ挙動を理解することが必要である。本研究では、ジェットの周囲流体の効果を調べるため、格子ボルツマン法HCZモデルを用いたジェットブレイクアップシミュレーションによって、表面及び微粒化挙動を考察した。結果として、ジェット側面で起こる微粒化によってジェットがブレイクアップすることが観測され、流体力学的微粒化がジェットブレイクアップの支配因子である場合、ジェットブレイクアップ機構がエプスタインが提案する機構に従うことを確認した。

論文

Influence of fragmentation on jet breakup behaviour

岩澤 譲*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 黒田 泰平*; 松尾 英治*; 海老原 健一; 坂場 弘*; 小山 和也*; 伊藤 和宏*; 成合 英樹*

Proceedings of 15th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-15) (USB Flash Drive), 12 Pages, 2013/05

高速増殖炉の安全な設計において、炉心崩壊事故が起きることを想定した場合、ナトリウム冷却材による炉心溶融物の固化及び除熱が強く要求される。溶融物ジェットの固化挙動を評価するには、炉心溶融物と冷却材との相互作用を詳細に理解する必要がある。本研究では、炉心溶融物を模擬した溶融金属及び透明流体を、冷却材を模擬した水に射出した実験において、両模擬部物質のジェットブレイクアップ挙動を高速度ビデオカメラで観察し、既存の理論との比較した。さらに、二相流体格子ボルツマン法を用いた液体ジェットのシミュレーションにより定性的なジェット挙動を再現した。

口頭

高速増殖炉の炉心溶融事故後冷却挙動の研究,23; 格子ボルツマン法を用いた液体ジェットのブレイクアップ挙動解析

岩澤 譲*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 齋藤 慎平*; 松尾 英治*; 海老原 健一; 坂場 弘*; 小山 和也*; 成合 英樹*

no journal, , 

高速増殖炉の炉心崩壊事故時、溶融炉心の一部が冷却材中にジェット状に射出される可能性があることから、その適切な冷却のため、溶融ジェットが到達する長さであるジェットブレイクアップ長さの予測が重要になる。これまで、模擬実験との比較により一成分二相の3次元格子ボルツマンモデルの液体ジェット挙動への適用性が検討されているが、シミュレーションでは考慮していない空気巻き込みがある実験と比較している。今回は、空気巻き込みのない模擬実験結果とシミュレーション結果を比較し、液体ジェットのブレイクアップメカニズムを検討した。結果として、格子ボルツマンモデルは、空気巻き込みのない液体ジェット射出結果をよく再現し、ブレイクアップ長さに関する無次元数は、実験値とほぼ同様の値となった。シミュレーションによる速度分布の算出結果から、ジェット先端での渦がブレイクアップを促進することが確認された。

口頭

高速増殖炉の炉心溶融事故後冷却挙動の研究,27; 液中ジェットブレイクアップ挙動に及ぼす粘性の影響の格子ボルツマン法による数値的考察

岩澤 譲*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 金川 哲也*; 齋藤 慎平*; 松尾 英治*; 海老原 健一; 坂場 弘*; 小山 和也*; 成合 英樹*

no journal, , 

高速増殖炉の炉心溶融事故に対する事故後冷却性評価において、冷却材中にジェット状に射出された溶融燃料の微粒化の過程を詳細に把握することが望まれている。ジェット側面からの剥ぎ取りによる微粒化物の生成がジェットブレイクアップにおいて支配的となる条件を明らかにするため、実験でジェット相の粘性の影響が調べられている。しかし、冷却相の粘性がジェット挙動に与える影響については未だ調べられていない。そこで、3次元二相流体格子ボルツマンモデルによるジェット挙動の数値シミュレーションによって冷却相の粘性がジェット挙動に及ぼす影響を考察し、その結果、冷却相の粘性が小さくなるとジェットの微粒化が活発となることが分かった。このことから、実機条件におけるジェット挙動の評価には粘性比を合せることが必要と考えられる。

口頭

JASMINEコードによる格納容器内溶融炉心冷却性

岩澤 譲; 松本 俊慶; 川部 隆平; 安島 航平; 杉山 智之; 丸山 結

no journal, , 

軽水炉シビアアクシデント時における格納容器内での溶融炉心冷却性を評価する手法を開発することを目的として、JASMINEコードの改良を行った。溶融炉心冷却性には、生成した溶融炉心の粒子同士が結合して塊状(アグロメレーション)となる現象に加えて、溶融炉心が格納容器床面を広がる現象が重要となる。JASMINEコードに組み込まれたこれらの現象に関するモデルを、スウェーデン王立工科大学で実施されたDEFOR-A実験とPULiMS実験をもとに改良した結果、実験結果の予測性能が向上した。

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