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論文

ナトリウム冷却高速炉における炭化ホウ素とステンレス鋼の共晶融解過程に関する速度論的検討

菊地 晋; 坂本 寛*; 高井 俊秀; 山野 秀将

日本機械学会2020年度年次大会講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2020/09

原子炉の炉心損傷に至るような過酷事故(シビアアクシデント)を想定した場合、制御材である炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)と被覆管や関連する構造材であるステンレス鋼(SS)との共晶融解が発生する恐れがある。このため、仮にナトリウム冷却高速炉において炉心損傷事故(Core Disruptive Accident: CDA)に至る場合を想定すると、B$$_{4}$$C-SS共晶融解挙動は安全評価上、重要な現象の一つに位置付けられる。本報告では、共晶融解が進展した界面における融解速度を把握することを目的にSSにB$$_{4}$$Cが移行した状態を模擬した低濃度B$$_{4}$$C含有のSSとSSを接触させた浸食試験を実施し、得られたデータから接触界面の反応速度定数を評価した。評価の結果、低濃度B$$_{4}$$C含有のSSとSSによる共晶の反応速度定数は、B$$_{4}$$C-SS共晶の反応速度定数よりも高温域において小さいことが分かった。また、B$$_{4}$$C含有量が少なくなるにつれて速度定数が高温域では、小さくなる傾向が見られた。

論文

塩水条件での緩衝材の力学挙動に対する弾塑性構成モデルの適用性に関する研究

高山 裕介; 菊池 広人*

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 27(1), p.12 - 21, 2020/06

本研究では、処分施設設計等において緩衝材の力学挙動を解析する際に重要となる構成モデルについて、様々な塩水条件での緩衝材の力学挙動に対する既存の弾塑性構成モデルの適用性を検討した。まず、試験データが比較的少ない塩水条件での圧密非排水三軸圧縮試験を実施し、得られた試験結果と既往の標準圧密試験と圧密非排水三軸圧縮試験の結果から蒸留水条件と塩水条件での緩衝材の力学挙動の違いを分析した。特に、試験溶液条件の違いによって標準圧密試験での除荷時の変形量に大きな差異が生じることを確認した。続いて、これらの試験の再現解析により、蒸留水および塩水条件での緩衝材の力学挙動に対する修正カムクレイモデルの適用性を検討した。その結果、蒸留水条件でのパラメータの内、膨潤指数を変化させることで、塩水条件での緩衝材の力学挙動を概ね再現できることを確認した。

報告書

平成30年度核燃料サイクル工学研究所放出管理業務報告書(排水)

中野 政尚; 藤井 朋子; 永岡 美佳; 井上 和美; 小池 優子; 山田 椋平; 吉井 秀樹*; 大谷 和義*; 檜山 佳典*; 菊地 政昭*; et al.

JAEA-Review 2019-045, 120 Pages, 2020/03

JAEA-Review-2019-045.pdf:2.54MB

本報告書は、原子力規制関係法令を受けた「再処理施設保安規定」、「核燃料物質使用施設保安規定」、「放射線障害予防規程」、「放射線保安規則」及び「茨城県等との原子力施設周辺の安全確保及び環境保全に関する協定書」、「水質汚濁防止法」並びに「茨城県条例」に基づき、平成30年4月1日から平成31年3月31日までの期間に日本原子力研究開発機構核燃料サイクル工学研究所から環境へ放出した放射性排水の放出管理結果をとりまとめたものである。再処理施設, プルトニウム燃料開発施設をはじめとする各施設からの放射性液体廃棄物は、濃度及び放出量ともに保安規定及び協定書等に定められた基準値を十分に下回った。

論文

PIRT手法によるナトリウム火災時の重要現象評価

青柳 光裕; 内堀 昭寛; 菊地 晋; 高田 孝; 大野 修司; 大島 宏之

日本機械学会論文集(インターネット), 86(883), p.19-00366_1 - 19-00366_8, 2020/03

ナトリウム(Na)冷却高速炉においては、冷却材Naの漏えいに伴うNa火災の発生が懸念されている。Na火災時の種々の影響を評価するため、原子力機構ではNa燃焼解析コードを開発している。本報では、Na火災事象における関連現象の重要度評価および重要現象に対する評価マトリクスの構築とともに、評価マトリクスに基づくNa燃焼解析コードAQUA-SFおよびSPHINCSの妥当性評価解析について述べる。妥当性評価解析は、Run-E1スプレイ燃焼実験に対して実施し、両解析コードによる圧力変化挙動は実験結果と良好な一致を示した。

論文

Identification of important phenomena through the PIRT process for development of sodium fire analysis codes

青柳 光裕; 内堀 昭寛; 菊地 晋; 高田 孝; 大野 修司; 大島 宏之

Nuclear Engineering and Design, 353, p.110240_1 - 110240_10, 2019/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム冷却高速炉のナトリウム燃焼時には、多くの現象が複合して生じる。本研究では、ナトリウム燃焼時の重要現象を同定するためにPIRT手法を適用した。本PIRT手法においては、要因分析を用いて重要度評価を実施する上での適切な評価指標を設定するとともに、要素および事象進展の両分析から関連現象を抽出した。重要度評価は事象進展に評価指標を関連付けて実施して、重要度評価表を完成させた。またモデルの妥当性評価のための評価マトリクスを構築した。さらに、より精緻な妥当性評価を念頭に、エアロゾル挙動モジュールおよび多次元コードのCFDモジュールの詳細な評価に関する検討を実施した。

論文

Thermal behavior of perlite concrete used in a sodium-cooled fast reactor; Multistep reaction kinetics and melting for safety assessment

古賀 信吉*; 菊地 晋

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 138(2), p.983 - 996, 2019/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:52.87(Thermodynamics)

ナトリウム冷却高速炉で使用される構造コンクリートの熱分解挙動の詳細を把握することは、原子力プラントの仮想事故条件下で想定される現象を再現する上で極めて重要である。本研究では、ナトリウム冷却高速炉で使用されるシリカ系およびパーライトコンクリートの熱分解挙動を比較検討した。

論文

Radiation imaging using a compact Compton camera mounted on a crawler robot inside reactor buildings of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

佐藤 優樹; 寺阪 祐太; 宇津木 弥*; 菊地 弘幸*; 清岡 英男*; 鳥居 建男

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(9-10), p.801 - 808, 2019/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:16.3(Nuclear Science & Technology)

The Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (FDNPS), operated by Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc., went into meltdown in the aftermath of a large tsunami caused by the Great East Japan Earthquake of 11 March 2011. Measurement of radiation distribution inside the FDNPS buildings is indispensable to execute decommissioning tasks in the reactor buildings. We conducted a radiation imaging experiment inside the reactor building of Unit 1 of FDNPS by using a compact Compton camera mounted on a crawler robot and remotely visualized gamma-rays streaming from deep inside the reactor building. Moreover, we drew a radiation image obtained using the Compton camera onto the three-dimensional (3-D) structural model of the experimental environment created using photogrammetry. In addition, the 3-D model of the real working environment, including the radiation image, was imported into the virtual space of the virtual reality system. These visualization techniques help workers recognize radioactive contamination easily and decrease their own exposure to radiation because the contamination cannot be observed with the naked eye.

論文

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

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 International Nuclear Fuel Cycle Conference / Light Water Reactor Fuel Performance Conference (Global/Top Fuel 2019) (USB Flash Drive), p.418 - 427, 2019/09

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は、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である。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平成29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、共晶溶融実験において固化したB$$_{4}$$C-SS共晶試料のホウ素濃度分布で、これはコンピュータコードに組み込まれた共晶物理特性の検証に用いられる。

論文

Comparative study on the thermal behavior of structural concretes of sodium-cooled fast reactor

菊地 晋; 古賀 信吉*; 山崎 淳司*

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 137(4), p.1211 - 1224, 2019/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:52.87(Thermodynamics)

本研究では、ナトリウム冷却高速炉構造コンクリートに類似した2種類のコンクリートを選定し、これらの熱的挙動の比較検討を実施した。室温から1900Kの温度範囲において、TG-DTAを用いた構造コンクリートの熱的挙動を検討した。コンクリートのセメント部の融解開始温度は1400から1600Kの温度範囲であることが分かった。また、CaCO$$_{3}$$とCa(OH)の存在比が異なる2種類のコンクリートのセメント部では、双方の融解温度の範囲に顕著な違いは見られなかった。一方、骨材の融解挙動は当初のシリカの含有量により直接影響を受けることが分かった。

論文

任意の荷重条件下における塑性誘起閉口を考慮した疲労き裂進展解析; 重合メッシュ法を活用した直接数値シミュレーションおよび簡易手法の提案

新宅 勇一*; 篠崎 勇人*; 藤原 宇希*; 高橋 昭如*; 菊池 正紀

日本機械学会論文集(インターネット), 85(876), p.19-00141_1 - 19-00141_15, 2019/08

本稿は、異なる繰返し荷重条件下での塑性誘起亀裂閉口による疲労亀裂伝搬の数値シミュレーション法の開発に係るものである。開発した手法の1つは、重合メッシュ法FEMを用いた直接数値シミュレーション法であり、構造全体を表すグローバルメッシュと亀裂を含むローカルメッシュを組み合わせたシミュレーションを可能とする。応力拡大係数が重合メッシュ法FEMによって計算された後、塑性誘起亀裂閉口による亀裂開口レベルが亀裂先端の塑性域を表現するために十分に細分された局所メッシュを用いた弾塑性解析によって決定される。塑性誘起亀裂閉口の影響を考慮した亀裂進展速度は、周期荷重下の応力拡大係数範囲が亀裂開口レベルによって実効値に変換されるという修正パリス則によって予測される。もう一つの手法は、有効応力拡大係数範囲が二次元直接数値シミュレーション法を用いた事前分析の結果に基づく最大応力拡大係数と亀裂開口レベルとの間の関係によって近似的に決定されるという単純な手法である。実験結果と比較することにより、開発した方法が曲げ及び引張荷重条件下で試験片中の表面亀裂の伝播を予測できることを確認した。

論文

Applicability and limitations of $$G(r,E)$$ analysis transformed from the inelastic neutron scattering data

中村 充孝; 菊地 龍弥*; 川北 至信

Physica B; Condensed Matter, 567, p.61 - 64, 2019/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Condensed Matter)

最近、非弾性中性子散乱実験(INS)データから変換した実空間動的構造因子$$G(r,E)$$を用いた多結晶NaIのフォノンダイナミクスに関する研究報告を行った。この研究は、通常のINS実験条件(Q$$_{max} sim$$ 5$AA$^{-1}$$)であっても、物理的に十分意味のある実空間ダイナミクス情報が得られることを示したものであり、これまでに蓄積されてきた大量のINSデータの再利用と新たな視点での研究推進を促すものである。今回の発表では、$$G(r,E)$$解析の適用可能性とその限界について詳しく議論する。

論文

Background issues encountered by cold-neutron chopper spectrometer AMATERAS

菊地 龍弥*; 中島 健次; 河村 聖子; 稲村 泰弘; 中村 充孝; 若井 大介*; 青山 和弘*; 岩橋 孝明*; 神原 理*

Physica B; Condensed Matter, 564, p.45 - 53, 2019/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Condensed Matter)

AMATERASはJ-PARC物質・生命科学実験施設に設置された冷中性子チョッパー型分光器である。この9年に亘る運用の中で得られたバッググラウンド(意図せずにデータ収集系に集積されるシグナル)についての知見をまとめた。それらは、ビームライン上にある物質から発生するガンマ線、ビームライン上にある機器から発生するブラッグ反射, 空気散乱, 電気ノイズ, 宇宙線などである。それらについてまとめると共に今後の可能な対策について述べる。これらは、同種の分光器にとっても役立つ情報となると期待する。

論文

Extraction performance of a fluorous phosphate for Zr(IV) from HNO$$_{3}$$ solution; Comparison with tri-$$n$$-butyl phosphate

上田 祐生; 菊池 圭; 杉田 剛; 元川 竜平

Solvent Extraction and Ion Exchange, 37(5), p.347 - 359, 2019/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Chemistry, Multidisciplinary)

リン酸トリブチル(TBP)を用いた従来のPUREXプロセスにおいて多量のZr(IV)が含まれる場合、抽出錯体,遊離の抽出剤,酸、および水の凝集を起源として生成する不溶性の第三相や沈殿による目的物の抽出阻害が問題であった。本研究では水にほとんど溶解しないフルオラス化合物に着目し、TBPと同一のリン酸エステル構造を有するフルオラスリン酸エステル抽出剤を合成し、本抽出剤のZr(IV)抽出特性,抽出機構、および第三相生成の抑制効果をTBPと比較検証した。開発した新規抽出剤は、TBPと比較し第三相の生成を著しく抑制するとともに、幅広い硝酸濃度領域においてTBPよりも高いZr(IV)抽出能力を示すことが明らかとなった。

報告書

財務・契約系情報システムVer.4の開発に関する技術報告

木村 英雄; 日笠 直樹*; 久下沼 裕司*; 土井 寿治*; 菊池 善貴*

JAEA-Technology 2019-004, 25 Pages, 2019/05

JAEA-Technology-2019-004.pdf:3.02MB

日本原子力研究開発機構では、財務・契約系基幹業務の効果的かつ効率的な遂行のため、「財務・契約系情報システム」の開発及び運用を行ってきた。現行システムのサポート期限終了を契機に、次期システムの開発が必要となっていたため、平成30年度に次期システムの開発を実施した。開発にあたって、これまでシステム計算科学センターで考案してきた分離調達を基調とした分散型システム構築手法を発展的に応用することで、電子決裁機能の追加や最新のパッケージソフトの採用など大幅に機能強化を行いつつも、極めて低コストでの調達を実現した。

論文

コヒーレントQENSと時空相関解析による液体Biの異常構造の検出

川北 至信; 菊地 龍弥*

波紋, 29(2), p.91 - 94, 2019/05

ビスマスは結晶相ではパイエルス歪に基づいた二重層状構造を有する。液相では、単純な充填モデルでは解釈できない複雑な静的構造を示し、パイエルス歪が液体中にも残っているのではないかと考えられてきた。我々は、J-PARC物質・生命科学実験施設に設置されたBL14アマテラス分光器を用いて液体Biの中性子準弾性散乱(QENS)を測定し、そのコヒーレントQENSを解析した。時空相関関数から、長距離側に肩構造をもつ最近接分布が4つの成分からなり、30ピコ秒程度の長い緩和時間を示す長短2種類の相関と、ピコ秒以下の短い緩和時間をもつ中間的な距離の相関および最も長い距離をもつ相関があることが分かった。このことは、液体Bi中に層状構造が存在する直接的な証拠になる。本記事では、上記の成果とともに、時空相関関数によってコヒーレントQENSを解析する手法について報告している。

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

Colossal barocaloric effects in plastic crystals

Li, B.*; 川北 至信; 河村 聖子; 菅原 武*; Wang, H.*; Wang, J.*; Chen, Y.*; 河口 沙織*; 河口 彰吾*; 尾原 幸治*; et al.

Nature, 567(7749), p.506 - 510, 2019/03

 被引用回数:35 パーセンタイル:1.07(Multidisciplinary Sciences)

冷却は現代社会では、世界における25-30%の電力が空調や食料保存に用いられるように、重要である。従来の気化、圧縮で冷却を行う方法は、温暖化などの観点から限界が来ている。有望な代替手段として固体の熱量効果を用いた冷却方法が注目を集めている。しかしながら、この方法は、現在候補に挙げられている物質ではエントロピー変化の小ささや巨大な磁場を必要とするところなどから性能に限界がある。そこで我々は柔粘性結晶における圧力誘起の相転移で冷却が起こる巨大圧力熱量効果を報告する。柔粘性結晶の一つであるネオペンチルグリコールのエントロピー変化は室温近傍において単位キログラム、単位温度あたり、約389ジュールであった。圧力下の中性子散乱実験の結果から、そのような巨大圧力熱量効果は分子配向の非秩序化、巨大な圧縮率、極めて非線形性の強い格子ダイナミクスの組み合わせに由来することが明らかになった。我々の研究により、柔粘性結晶における巨大圧力熱量効果発現の微視的機構が明らかとなり、次世代の固体を使った冷却技術の確立に筋道を付けることができた。

報告書

平成29年度核燃料サイクル工学研究所放出管理業務報告書(排水)

中野 政尚; 藤田 博喜; 水谷 朋子; 永岡 美佳; 井上 和美; 小池 優子; 山田 椋平; 吉井 秀樹*; 檜山 佳典*; 大谷 和義*; et al.

JAEA-Review 2018-028, 120 Pages, 2019/02

JAEA-Review-2018-028.pdf:2.69MB

本報告書は、原子力規制関係法令を受けた「再処理施設保安規定」、「核燃料物質使用施設保安規定」、「放射線障害予防規程」、「放射線保安規則」及び「茨城県等との原子力施設周辺の安全確保及び環境保全に関する協定書」、「水質汚濁防止法」並びに「茨城県条例」に基づき、平成29年4月1日から平成30年3月31日までの期間に日本原子力研究開発機構核燃料サイクル工学研究所から環境へ放出した放射性排水の放出管理結果をとりまとめたものである。再処理施設, プルトニウム燃料開発施設をはじめとする各施設からの放射性液体廃棄物は、濃度及び放出量ともに保安規定及び協定書等に定められた基準値を十分に下回った。

論文

Magnetic, thermal, and neutron diffraction studies of a coordination polymer; bis(glycolato)cobalt(II)

中根 僚宏*; 米山 翔太*; 兒玉 健*; 菊地 耕一*; 中尾 朗子*; 大原 高志; 東中 隆二*; 松田 達磨*; 青木 勇二*; 藤田 渉*

Dalton Transactions (Internet), 48(1), p.333 - 338, 2019/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:69.74(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

The two-dimensional quadratic lattice magnet, bis(glycolato)cobalt(II) ([Co(HOCH$$_{2}$$CO$$_{2}$$)$$_{2}$$]), showed anti-ferromagnetic ordering at 15.0 K and an abrupt increase in magnetisation at H = 22 600 Oe and 2 K, thereby acting as a metamagnet. Neutron diffraction studies suggested that the magnetic moment vectors of the Co(II) ions had an amplitude of 3.59 mB and were not aligned in a fully antiparallel fashion to those of their neighbours, which caused canting between the magnetic moment vectors in the sheet. The canting angle was determined to be 7.1deg. Canting induced net magnetisation in the sheet, but this magnetisation was cancelled between sheets. The magnetisations in the sheets were oriented parallel to the magnetic field at the critical magnetic field.

論文

Detection of alpha particle emitters originating from nuclear fuel inside reactor building of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant

森下 祐樹; 鳥居 建男; 宇佐美 博士; 菊地 弘幸*; 宇津木 弥*; 高平 史郎*

Scientific Reports (Internet), 9, p.581_1 - 581_14, 2019/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.85(Multidisciplinary Sciences)

We measured alpha emitters obtained from a reactor building in the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FDNPP) by using an alpha particle imaging detector. For developing the detector, we used a verythin (0.05-mm-thick) a cerium-doped Gd$$_{3}$$(Ga,Al)$$_{5}$$O$$_{12}$$ (Ce:GAGG) scintillator and silicon photomultiplier (SiPM) arrays as the photodetector. The floor of the reactor building in FDNPP was wiped off by using smear papers, and the radioactivity of these papers was measured by the alpha particle imaging detector. The alpha spectrum was in the energy range of 5-6 MeV, which corresponds to the alpha particle energy of $$^{238}$$Pu (5.5 MeV). Moreover, the peak of $$^{241}$$Am was identified by gamma spectrum measurement. Based on these results, we report actual findings of alpha emitters in the FDNPP reactor buildings originating from nuclear fuels.

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