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論文

New analysis model of solid body formation in particle method for jet impingement and solidification in severe accidents of SFRs

今泉 悠也; 神山 健司; 松場 賢一

Annals of Nuclear Energy, 206, p.110658_1 - 110658_10, 2024/10

In severe accidents of SFRs, molten core materials can discharge from the core, and the jet can impinge on the lower structure plate. After the jet impingement, fragmented discharged materials can form ring-shape solidification. A fundamental experiment was conducted to simulate the behavior. In order to simulate the behavior of solid body creation and motion, a new solid body formation model by inter-particle attraction force in particle method was developed. The advantage of the new model is that it can simulate creation, formation, and motion of solid bodies without any artificial treatment as solid bodies. The movable solid bodies by the new model have any size, shape, and number, and they are created and grown by solidification, and diminish and disappear by melting. The mechanism based on the inter-particle attraction force is common with that in real world where interatomic attraction force is the cause of solid body formation.

論文

Thinning behavior of solid boron carbide immersed in molten stainless steel for core disruptive accident of sodium-cooled fast reactor

江村 優軌; 高井 俊秀; 菊地 晋; 神山 健司; 山野 秀将; 横山 博紀*; 坂本 寛*

Journal of Nuclear Science and Technology, 61(7), p.911 - 920, 2024/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Nuclear Science & Technology)

Boron carbide (B$$_4$$C)- stainless steel (SS) eutectic reaction behavior is one of the most important issues in the core disruptive accidents (CDAs) of sodium-cooled fast reactors (SFRs). In this study, the immersion experiments using B$$_4$$C pellets with molten SS were conducted to evaluate the CDA sequences such as contact event of solid B$$_4$$C with degraded core materials including SS at very high temperature. The immersion experiment aims at understanding the kinetic behavior of solid B$$_4$$C-liquid SS reaction based on the reduced thickness of B$$_4$$C pellet after the experiment in the temperature ranges from 1763 to 1943 K, which is higher than the temperature of solid B$$_4$$C-solid SS reaction. Based on the kinetic consideration of the reaction rate constants for solid B$$_4$$C-liquid SS reaction, it was found that similar temperature dependency was identified between solid B$$_4$$C-liquid SS and solid B$$_4$$C-solid SS. Besides, the reaction rate constants of solid B$$_4$$C-liquid SS were smaller than those of solid B$$_4$$C-solid SS extrapolated in higher temperature region by two or more orders of magnitude due to two different evaluation method for B$$_4$$C side/SS side. It was confirmed that this difference was reasonable through the consideration of previous reaction tests in solid-solid contact for B$$_4$$C side/SS side.

論文

A Mechanism for spontaneous thermal fragmentation with coolant entrainment during the molten fuel-sodium interaction

Johnson, M.*; 江村 優軌; Clavier, R.*; 松場 賢一; 神山 健司; Brayer, C.*; Journeau, C.*

Nuclear Engineering and Design, 423, p.113165_1 - 113165_14, 2024/07

日本原子力研究開発機構のMELT施設において、ナトリウム冷却高速炉のシビアアクシデントに関連する溶融ジェットとナトリウムの相互作用に関する実験的研究を行っている。X線イメージングと固化物の分析により、溶融ジェットと冷却材の接触界面でクラストが急速に形成され、熱的な微粒化現象が誘発されることを明らかにした。溶融ジェットと冷却材の接触界面における熱伝達計算の結果は、冷却材との接触から数ミリ秒以内に固体クラストが形成されることを示唆している。X線イメージングを用いたジェットへの冷却材巻き込みの観察結果に基づき、熱的な微粒化が促進されるメカニズムを提案する。

論文

Experiment and new analysis model simulating in-place cooling of a degraded core in severe accidents of sodium-cooled fast reactors

今泉 悠也; 青柳 光裕; 神山 健司; 松場 賢一; Akaev, A.*; Mikisha, A.*; Baklanov, V.*; Vurim, A.*

Annals of Nuclear Energy, 194, p.110107_1 - 110107_11, 2023/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Nuclear Science & Technology)

In severe accidents of SFRs, the cooling of the residual core materials, which is called "in-place cooling", is one of the important factors for In-Vessel Retention (IVR). For the evaluation, behavior of the in-place cooling was analyzed by the SIMMER-III code. In order to understand the in-place cooling, method of Phenomena Identification and Ranking Table (PIRT) was applied. Based on the result, an out-of-pile experiment which focused on the extracted factors was conducted. In the experiment, continuous oscillation of sodium level was observed by sodium vaporization and condensation. Analysis for the out-of-pile experiment was conducted by SIMMER-III, but the results were different between the experiment and the analysis. By investigation of the analysis result, it was revealed that the difference was due to occupation of non-condensable gas. Therefore, an analysis model of inter-cell gas mixing was newly developed, and the agreement was significantly improved by the new model.

論文

A Large-scale particle-based simulation of heat and mass transfer behavior in EAGLE ID1 in-pile test

Zhang, T.*; Yao, Y.*; 守田 幸路*; Liu, X.*; Liu, W.*; 今泉 悠也; 神山 健司

Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 9 Pages, 2023/05

The in-pile EAGLE ID1 test was conducted by Japan Atomic Energy Agency to demonstrate the effectiveness of the fuel assembly with an internal duct structure during a core disruptive accident in a sodium-cooled fast reactor. In this study, a new computational fluid dynamics code based on the fully Lagrangian particle method was developed for the purpose of clarifying the failure mechanism of the inner duct wall of FAIDUS. The three-dimensional simulation of the ID1 test was performed to analyze a series of thermal hydraulic behaviors leading up to duct wall failure for a computational domain that included six fuel pins. The simulations reasonably reproduced the heat transfer characteristics observed in the test, showing that the local contact of liquid steel with high thermal conductivity with the duct wall greatly enhances the heat transfer from the nuclear heating fuel to the duct wall. The results support the validity of the conclusions of our analytical study regarding the molten pool-to-duct wall heat transfer mechanism that caused the thermal failure of the duct wall.

論文

A Series of molten stainless steel-sodium interaction experiments to develop an evaluation methodology for jet breakup during core disruptive accidents in sodium-cooled fast reactors

松場 賢一; 江村 優軌; 神山 健司

Proceedings of 2023 International Congress on Advanced in Nuclear Power Plants (ICAPP 2023) (Internet), 8 Pages, 2023/04

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故における溶融炉心物質ジェット崩壊距離に関する評価手法を確立するため、JAEAのMELT施設において、炉心構成材料の一つであるステンレス鋼の溶融物約1kgをナトリウムプール(直径約30cm、深さ約1m)中に放出する燃料-冷却材相互作用(FCI)試験を行っている。この試験では、直径1$$sim$$2cm程度の溶融ステンレスジェットが、ナトリウム液面付近において、ナトリウム蒸気の膨張を伴って発生するFCIによって崩壊することをX線可視化により確認した。ナトリウムプール中心軸付近に設置した複数の熱電対の応答から、溶融ジェットはナトリウム液面付近で急速に冷却され、ナトリウムプールの底部に到達する前にデブリ(微粒化した固化物)になっていると推定した。これらの結果から、溶融ジェットと冷却材の密度比やジェット直径などの従来のパラメータに加えて、ナトリウムの蒸気化に関連する熱的パラメータの影響を考慮した評価手法の開発が必要であることを確認した。

論文

X線イメージングを用いた球充填層内のボイド率分布計測

山本 誠士郎*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 今泉 悠也; 松場 賢一; 神山 健司

混相流, 37(1), p.79 - 85, 2023/03

In the safety study on a sodium-cooled fast reactor, it is assumed that the high temperature fuel debris are formed because of a core disruptive accident. During the cooling of the fuel debris, gas-liquid two-phase flow can be generated in the debris due to the coolant boiling. To improve the prediction accuracy of the flow characteristics, detailed measurement of the gas-liquid two-phase flow in the debris bed is required. In this study, gas-liquid two-phase flow in a quasi-two-dimensional sphere-packed bed, which simulates the debris bed, is visualized by using X-ray imaging. The experimental results show that the local void fraction increases near the splitting section in the packed bed and decreases near the coalescence section.

論文

A 3D particle-based simulation of heat and mass transfer behavior in the EAGLE ID1 in-pile test

Zhang, T.*; 守田 幸路*; Liu, X.*; Liu, W.*; 神山 健司

Annals of Nuclear Energy, 179, p.109389_1 - 109389_10, 2022/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:27.23(Nuclear Science & Technology)

The ID1 test was the final target test of the EAGLE experimental framework program. It was used to verify that during a core disruptive accident, the molten fuel could be discharged via wall failure of an inner duct in FAIDUS, a design concept for the sodium-cooled fast reactor. The ID1 results revealed that the wall failure behavior owed to the large heat flow from the surrounding fuel/steel mixture. The present study numerically investigated the heat transfer mechanisms in the test using the finite volume particle method in the three-dimensional domain. The thermal hydraulic behaviors during wall failure were reproduced reasonably. The present three-dimensional simulation mitigated inherent defects of our previous two-dimensional calculation and clarified that the solid fuel and liquid steel close to the outer surface of the duct can expose the duct to high thermal loads, resulting in the wall failure.

論文

Particle-based simulation of jet impingement behaviors

高塚 大地*; 守田 幸路*; Liu, W.*; Zhang, T.*; 中村 武志*; 神山 健司

Proceedings of 12th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS12) (Internet), 10 Pages, 2022/10

A 3D particle-based simulation code was developed to analyze jet impingement behavior, and the physical models for thermal-hydraulic interactions between molten jets and solid plates used in the code was validated by simulating existing jet impingement experiments. In addition, particle-based simulations were conducted to understand the impingement characteristics of molten MOX fuel jets on SS plates, and the erosion rate of the SS plate was evaluated. The results showed that fuel crusts formed on the plate potentially provide thermal protection and confirmed the effect of the plate erosion rate on the jet diameter under conditions where crust formation is dominant.

論文

Measurements of pressure drop and void fraction of air-water two-phase flow in a sphere-packed bed

山本 誠士郎*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 今泉 悠也; 松場 賢一; 神山 健司

Proceedings of 12th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS12) (Internet), 4 Pages, 2022/10

To develop a microscopic pressure drop prediction model based on detailed measurement data of gas liquid two-phase flow, the pressure drop was measured in the vertical upward gas-liquid two-phase flow formed in quasi-2D test section. The measurement results showed that the pressure drop in the quasi-2D test section was much smaller than that in the ordinal packed bed system, which suggests that the pressure drop mechanism in the quasi-2D test section could be different from that in the ordinal packed bed system due to differences in two-phase flow characteristics in the two systems. The void fraction distribution was also measured in the quasi-2D test section by the X-ray imaging technique, which revealed that there was a local distribution of the void fraction in the channel unit structure of the closest packed bed.

論文

Study on the discharge behavior of the molten-core materials through the control rod guide tube; Investigations of the effect of an internal structure in the control rod guide tube on the discharge behavior

加藤 慎也; 松場 賢一; 神山 健司; Akaev, A.*; Vurim, A.*; Baklanov, V.*

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-13) (Internet), 12 Pages, 2022/09

炉心崩壊事故(CDA)における溶融炉心物質の原子炉内保持(IVR)はナトリウム冷却高速炉の安全性を高めるために最も重要である。IVRを確保するための主要な課題の一つは、溶融炉心物質を炉心領域から効率的に排出するための制御棒案内管(CRGT)の設計である。CRGTの設計の有効性はCDA解析によって評価されるが、この解析には試験研究と連携した計算機コードの開発が合理的である。そこで、EAGLE-3プロジェクトと呼ばれる共同研究において、CRGTを介した溶融炉心物質の流出挙動を課題の一つとして試験研究が進められてきた。本試験研究で得られた知見はSIMMERコードの開発に反映される。このプロジェクトでは、CRGTを通じた溶融炉心物質の流出挙動を把握するために、溶融アルミナを燃料模擬物質とした一連の炉外試験が行われた。本研究では、CRGT内の内部構造物が溶融炉心物質の流出挙動に与える影響を調べるため、内部構造物を有するダクトを溶融アルミナが流下する炉外試験のデータを分析した。さらに、SIMMERコードによる試験後の解析を行い、試験結果との比較を行った。

論文

Analysis on cooling behavior for simulated molten core material impinging to a horizontal plate in a sodium pool

松下 肇希*; 小林 蓮*; 堺 公明*; 加藤 慎也; 松場 賢一; 神山 健司

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-13) (Internet), 9 Pages, 2022/09

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故では、溶融炉心物質が制御棒案内管などの流路を通って炉心領域下の炉心入口プレナムに流れ込む。溶融炉心物質は、ナトリウム冷却材中で入口プレナムの水平板に衝突しながら冷却・固化されると見込まれる。しかし、水平構造物に衝突した溶融炉心物質の固化・冷却挙動は、これまで十分に研究されていなかった。これはナトリウム冷却高速炉の安全性向上の観点から解明が必要な重要な現象である。そこで、カザフスタン共和国国立原子力センターの実験施設において、模擬溶融炉心物質(アルミナ: Al$$_{2}$$O$$_{3}$$)を水平構造物上のナトリウム冷却材中に放出する一連の実験が実施された。本研究では、高速炉安全性評価コードSIMMER-IIIを用いたナトリウム試験に関する解析を実施した。解析結果と実験データの比較により、解析手法の妥当性を確認した。また、ジェット衝突時の冷却・固化挙動を評価した。その結果、溶融炉心物質が水平板への衝突により破砕され、周辺部へ飛散することがわかった。さらに、模擬溶融炉心物質がナトリウムによって冷却され、その後、固化することを確認した。

論文

ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故における炉心残留燃料の冷却性評価手法の開発に関する試験と解析

今泉 悠也; 青柳 光裕; 神山 健司; 松場 賢一; Akayev, A. S.*; Mikisha, A. V.*; Baklanov, V. V.*; Vurim, A. D.*

第26回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2022/07

高速炉の炉心崩壊事故での炉心からの燃料流出後の残留炉心物質の冷却性は、炉心物質の配置に大きな影響を与え、それは炉容器内保持(IVR)達成のための重要な要素である。残留炉心物質の冷却は「インプレース冷却」と呼ばれ、その評価のため、実機の炉心での挙動をSIMMER-IIIで解析し、その解析結果に基づき重要度ランクテーブル(PIRT)の手法を適用した。そして、PIRTによって抽出された熱流動現象に着目した実験をEAGLE-3のフレームワークで実施した。実機のインプレース冷却の段階で発生し得る継続的な液位振動が実験では観察され、SIMMER-IIIで解析を実施した。解析結果の調査から、実験結果と解析結果の差異は、ナトリウム液位の上での非凝縮性ガスの残存と占有によることが分かったが、これは実験では非現実的だと考えられる。この問題を解決するため、非凝縮性ガスとナトリウム蒸気のガス混合モデルを開発し、その新モデルにより実験結果と解析結果の一致が大幅に改善された。

論文

ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故における制御材と溶融ステンレス鋼の反応挙動に関する実験的研究

江村 優軌; 神山 健司; 山野 秀将

第26回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2022/07

制御材である炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)はステンレス鋼との共晶反応により、双方の融点よりも低い温度で液相化する。そのため、ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故時において、制御材の喪失や当該反応生成物の炉心領域内外への移行が炉心反応度に影響を及ぼす可能性がある。本研究では、超高温域における反応挙動を把握することを目的として、B$$_{4}$$Cペレットを溶融したステンレス鋼中に浸漬させる試験を行い、ペレットの減肉量に基づいた反応速度を検討した。

論文

Sodium-cooled Fast Reactors

大島 宏之; 森下 正樹*; 相澤 康介; 安藤 勝訓; 芦田 貴志; 近澤 佳隆; 堂田 哲広; 江沼 康弘; 江連 俊樹; 深野 義隆; et al.

Sodium-cooled Fast Reactors; JSME Series in Thermal and Nuclear Power Generation, Vol.3, 631 Pages, 2022/07

ナトリウム冷却高速炉(SFR: Sodium-cooled Fast Reactor)の歴史や、利点、課題を踏まえた安全性、設計、運用、メンテナンスなどについて解説する。AIを利用した設計手法など、SFRの実用化に向けた設計や研究開発についても述べる。

論文

A Status of experimental program to achieve in-vessel retention during core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors

神山 健司; 松場 賢一; 加藤 慎也; 今泉 悠也; Mukhamedov, N.*; Akayev, A.*; Pakhnits, A.*; Vurim, A.*; Baklanov, V.*

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Sustainable Clean Energy for the Future (FR22) (Internet), 9 Pages, 2022/04

To achieve in-vessel retention for mitigating the consequences of core disruptive accidents (CDAs) of sodium-cooled fast reactors, controlled material relocation (CMR) has been proposed as an effective safety concept. CMR is not only aiming at eliminating the potential for exceeding prompt criticality events that affect the integrity of the reactor vessel, but also enhancing the potential for the in-vessel cooling of degraded core materials during CDAs. Based on this concept several design measures have been studied, and, to evaluate their effectiveness, experimental evidences to show relocation of molten-core material were required. With this background, a series of experimental program called EAGLE (Experimental Acquisition of Generalized Logic to Eliminate re-criticalities) has been carried out collaboratively over 20 years between Japan Atomic Energy Agency and National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan (NNC/RK) using an out-of-pile and in-pile test facilities of NNC/RK. The EAGLE program is divided into three phases, they are called EAGLE-1, EAGLE-2 and EAGLE-3, to cover whole phase after core-melting begins. The subject for EAGLE-1 and the first half of EAGLE-2 is CMR in the early phase of CDA in which the core melting progresses rapidly driven by positive reactivity insertions. The subject for the latter half of EAGLE-2 and whole EAGLE-3 is CMR in the later phase of CDA in which the gradual core melting by decay heat and relocation and cooling of degraded core materials occurs. In the paper, the major achievement of the EAGLE program and future plans are presented.

論文

French-Japanese experimental collaboration on fuel-coolant interactions in sodium-cooled fast reactors

Johnson, M.*; Delacroix, J.*; Journeau, C.*; Brayer, C.*; Clavier, R.*; Montazel, A.*; Pluyette, E.*; 松場 賢一; 江村 優軌; 神山 健司

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Sustainable Clean Energy for the Future (FR22) (Internet), 8 Pages, 2022/04

シビアアクシデントに関する日仏共同実験の一環として、ナトリウム冷却高速炉の原子炉容器内下部プレナムへ溶融燃料が流出した時の燃料-冷却材相互作用について、その解明に向けた研究を実施している。MELT施設では、ナトリウム中へ流出したキログラム単位の模擬溶融炉心物質が急冷される様子をX線で可視化することができる。現在準備中のSERUA施設では、融体と冷却材の接触境界面温度が上昇した場合の沸騰熱伝達を評価するためのデータ取得を予定している。この論文では、これらの施設を活用した実験協力の現状について紹介する。

論文

Development of methodology to evaluate mechanical consequences of vapor expansion in SFR severe accident transients; Lessons learned from previous France-Japan collaboration and future objectives and milestones

Bachrata, A.*; Gentet, D.*; Bertrand, F.*; Marie, N.*; 久保田 龍三朗*; 曽我部 丞司; 佐々木 啓介; 神山 健司; 山野 秀将; 久保 重信

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Sustainable Clean Energy for the Future (FR22) (Internet), 9 Pages, 2022/04

日仏協力の枠組みにおける目的の1つは、計算方法を定義および評価し、ナトリウム高速炉(SFR)における重大事故シナリオの現象とその結果を調査することである。SFRのナトリウムプレナムで発生する燃料-冷却材相互作用によって生じる構造物の機械的応答を評価するための方法論は、2014-2019年の日仏協力の枠組みの中で定義された。2020-2024年の期間に広がった枠組みについて、主な目的とマイルストーンを本論文で紹介する。研究の目的は、原子炉容器の機械的強度の限界と重大事故により受ける機械的荷重との間のマージンを包括的に扱うことである。この目的のため、SIMMERコードを使ってSFRの炉心損傷事故を解析する。流体構造の相互作用については、流体構造ダイナミクスツール(CEA側はEUROPLEXUS、JAEA側はAUTODYN)を用いて評価する。本論文では、ホットプレナムの蒸気膨張過程の評価を示すため、ベンチマーク研究について説明する。そのために、蒸気膨張に至る、出力逸走後のASTRID 1500MWth炉心が損傷した状態に基づく共通入力データを使用する。本研究では、SIMMER入力データにおいて事故時の緩和デバイスであるトランスファーチューブの作用を制限し、溶融炉心物質を上向きに流出させることによって、最も厳しいケースを示した。本論文では最も厳しいケースを示したが、EUROPLEXUSとAUTODYNの両方の計算結果で、原子炉容器の有意な変形は生じなかった。これは、炉心膨張過程で想定した機械的エネルギーが小さかったためである。

論文

A 3D particle-based analysis of molten pool-to-structural wall heat transfer in a simulated fuel subassembly

Zhang, T.*; 守田 幸路*; Liu, X.*; Liu, W.*; 神山 健司

Extended abstracts of the 2nd Asian Conference on Thermal Sciences (Internet), 2 Pages, 2021/10

日本のナトリウム冷却高速炉では、高速炉の炉心損傷事故における大規模炉心プール形成による再臨界を回避する方策として、内部ダクト付き燃料集合体(FAIDUS)が提案されている。本研究では、FAIDUSの有効性を実証するために実施されたEAGLE ID1炉内試験を対象に3次元粒子粒子法シミュレーションを行い、溶融燃料/スティールの混合プールからダクト壁への熱伝達機構を明らかにするための解析的検討を行った。

論文

Study on eutectic melting behavior of control rod materials in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors, 1; Project overview and progress until 2019

山野 秀将; 高井 俊秀; 古川 智弘; 菊地 晋; 江村 優軌; 神山 健司; 福山 博之*; 東 英生*; 西 剛史*; 太田 弘道*; et al.

Proceedings of 28th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 28) (Internet), 11 Pages, 2021/08

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故(CDA)評価における重要な課題の一つに、制御棒材の炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)とステンレス鋼(SS)の共晶溶融反応及び移動挙動がある。CDAの数値解析では、このような挙動のシミュレーションはこれまで行われたことがないため、物理モデルを開発しそれをCDA解析コードに組み入れる必要がある。本研究では、B$$_{4}$$C-SS共晶溶融実験,共晶溶融の熱物性計測,共晶溶融反応の物理モデル開発に焦点を当てている。共晶実験では、可視化実験,反応速度実験,材料分析を行う。物性は液相から固相までの範囲で測定する。これらの反応速度や物性を基に、シビアアクシデント解析コードのための物理モデルを開発する。本発表はプロジェクト全体概要及び2019年度までの進捗概要について報告する。この論文における具体的成果は、SSプール中にB$$_{4}$$Cペレットを置いたB$$_{4}$$C-SS共晶溶融実験の数値解析を通じて、CDA解析コードSIMMER-IIIにおける共晶反応を記述する物理モデルの妥当性を確認したことである。

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