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論文

SUS316ステンレス鋼の照射材-未照射材溶接における健全性評価

柴田 晃; 中村 夏紀; 二川 正敏; 前川 克廣*

材料試験技術, 62(1), p.35 - 40, 2017/01

日本原子力研究開発機構は照射誘起応力腐食割れ(IASCC)研究の一環として、材料試験炉内におけるステンレス鋼のき裂進展試験の実施を計画している。当該試験ではIASCCのしきい値(6$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$ ($$>$$1MeV))以上に予備照射が行われたSUS316鋼と未照射のSUS316鋼の溶接が必要となる。照射材-未照射材の溶接健全性を確認するために、原子炉内で照射下材料から試験片を作り、照射材-未照射材の溶接試験を実施し、その健全性評価を行った。

論文

球状圧子を用いた微小硬さ試験による原子炉燃料被覆管ジルカロイ4とM5のPWR環境下酸化皮膜の機械的特性評価

柴田 晃; 涌井 隆; 中村 夏紀; 二川 正敏; 前川 克廣*; 那珂 通裕

材料試験技術, 62(1), p.41 - 47, 2017/01

現在広く使用されている核燃料被覆管材料ジルカロイ4は、より耐食性のあるM5等のZr-Nb合金への置き換えが進められている。しかしながらZr-Nb合金のジルカロイ4に対する相対的に良好な耐食性の根源は未だ明らかになっていない。Zr-Nb合金の良好な耐食性の根源を明らかにするため、M5とジルカロイ4の酸化皮膜の評価を行った。球状圧子を用いた微小硬さ試験を行い、荷重-深さ曲線に対し有限要素解析を援用しカルマンフィルタを用いた逆解析から材料定数を同定する手法よりM5とジルカロイ4の酸化皮膜の力学的特性を求め、他の手法による観察結果と比較した。その結果、M5の酸化皮膜はジルカロイ4の酸化皮膜に比較すると延性的であることが判明した。

論文

Corrosion properties of Zircaloy-4 and M5 under simulated PWR water conditions

柴田 晃; 加藤 佳明; 田口 剛俊; 二川 正敏; 前川 克廣*

Nuclear Technology, 196(1), p.89 - 99, 2016/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:62.01(Nuclear Science & Technology)

ジルコニウム合金は中性子吸収断面積が小さく耐食性がよいことから、原子炉燃料被覆管の材料として広く用いられている。加圧水型原子炉(PWR)において原子炉燃料被覆材として、スズ、鉄、クロムを含むジルコニウム合金であるジルカロイ-4が使用されてきたがベルギー等ヨーロッパの原子炉では長寿命化が期待できるZr-Nb系合金M5等のNb添加新合金への移行が段階的に進められている。本研究はPWR条件下におけるジルカロイ-4とM5腐食特性の差異を明らかにするためPWR環境を模擬した水化学条件下で水素濃度をパラメータとする腐食試験を行った。これらの条件下においてジルカロイ-4とM5の酸化皮膜観察、重量増加測定および電気化学インピーダンス測定試験を行い、その腐食特性を比較した。これらの結果からPWR環境において、M5はジルカロイ-4に比べて水素濃度による酸化皮膜成長の影響が少なく安定した皮膜を有することから炉内の局所的な水素濃度の不均一に対して影響されにくくPWRの燃料被覆材としての適性が優れていることを示した。また、電気化学インピーダンス法によりよりジルカロイ-4とM5の酸化反応に構造的な有意差が存在することを示した。

論文

Mechanical property change in the region of very high-cycle fatigue

Xiong, Z.; 直江 崇; Wan, T.; 二川 正敏; 前川 克廣*

Procedia Engineering, 101, p.552 - 560, 2015/03

BB2014-3103.pdf:0.47MB

 被引用回数:1 パーセンタイル:24.98

核破砕中性子源の構造材料として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼SUS316Lの超高サイクル疲労挙動について、ひずみ速度10$$^2$$s$$^{-1}$$の超音波疲労試験により調べた。超高サイクルの繰返し応力負荷に伴う硬化及び軟化を調べるために、溶体化処理材及び冷間圧延材に対して、疲労試験後の試験片断面の硬度分布、引張り試験による残強度測定、非線形超音波による転位密度変化の計測を実施した。その結果、溶体化処理材では、10$$^7$$回以上の超高サイクル領域で繰返し硬化が観測された。冷間圧延材では、10$$^7$$回以下では、繰返し軟化が観測された一方、10$$^7$$回以上では、繰返し硬化が観測された。

論文

Damage evaluation by impulsive response in structure filled with liquid

Wan, T.; 直江 崇; 涌井 隆; 二川 正敏; 前川 克廣*

Applied Mechanics and Materials, 566, p.629 - 636, 2014/06

MW級のパルス核破砕中性子源の水銀ターゲット容器では、陽子線入射による熱衝撃により水銀中に圧力波が発生する。この圧力波によってターゲット容器に衝撃的な振動が励起されると共に、内壁には固液界面で生じるキャビテーションによる損傷が形成される。本研究では、狭隘な水銀(厚さ2mm)を隔てた2重壁構造を有する水銀ターゲット容器について、内壁のキャビテーション損傷あるいは疲労破壊を振動の計測により外側から非破壊的に診断する手法について検討した。内壁の損傷とターゲット容器の振動との相関について、1, 5, 10, 20, 40mmの貫通穴によって損傷を模擬した数値解析により系統的に調べた。損傷の差異による容器の振動応答の変化を定量的に評価するために、振動応答波形に対して、ウェーブレット変換と統計処理を用いた波形解析手法を考案した。さらに、2重壁構造を模擬した水銀を充填した容器に対する圧力波負荷試験での振動速度をレーザーにより計測し、本手法の適用性を検証した。その結果、振動波形は、損傷を模擬した穴の直径に依存して変化すること、直径10mm以上であれば、明確な振動の差として損傷を検出できることを明らかにした。

論文

Very high cycle fatigue in pulsed high power spallation neutron source

Xiong, Z.*; 二川 正敏; 直江 崇; 前川 克廣*

Advanced Materials Research, 891-892, p.536 - 541, 2014/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:3.48

核破砕中性子源水銀ターゲットの容器構造材として用いられているオーステナイト系ステンレス鋼SUS316Lの陽子及び中性子照射環境における超高サイクルの疲労強度について調べるために、SUS316L及び照射による硬化を模擬したSUS316Lの冷間圧延材を用いて、水銀ターゲット容器で生じるひずみ速度10$$^2$$S$$^{-1}$$に相当する高ひずみ速度での負荷が可能である超音波疲労試験を実施した。その結果、通常の疲労試験(10$$^{-3}sim$$10s$$^{-1}$$)と比較して、ひずみ速度効果により疲労強度が2割程度上昇すること、疲労過程で発生する複数の閉じた微小亀裂の周囲で生じる熱弾性効果により、破断直前に急激な温度上昇(約300$$^circ$$C)が生じることを明らかにした。また、微小亀裂が生じた試料の残強度を確認した結果、受け入れ材と同等の残強度があることを確認した。

論文

A Novel ultrasonic evaluation process for cavitation damage by combination of attenuation and higher harmonics

Wan, T.; 涌井 隆; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克寛*; Wan, T.*

実験力学, 13(4), p.387 - 394, 2013/12

J-PARCの1MW中性子源として、物質・生命科学実験施設に、水銀ターゲット容器が設置されている。陽子ビームが水銀ターゲット容器に入射することにより、水銀ターゲット容器の内壁面にキャビテーション損傷が生じる。水銀ターゲット容器の構造健全性や寿命の評価の観点から、キャビテーション損傷を非破壊的に評価することは重要である。本研究では、非線形超音波法を用いて、キャビテーション損傷の評価を試みた。電磁衝撃力負荷装置を用いて、キャビテーション損傷を与えた試験片を作成し、非線形超音波画像法により損傷を評価した。損傷面とは逆の面から、超音波の送受信を行い、損傷面から反射した超音波波形における減衰率と高調波に着目し、波形に及ぼす損傷の影響を明らかにした。そして、その結果を基に、キャビテーション損傷を評価する新たな手順を考案した。本手法をキャビテーション損傷材に適用した結果、最小約25$$mu$$mの損傷を検知することができることが分かった。

報告書

J-PARC MLF使用済放射化機器保管計画検討結果

木下 秀孝; 涌井 隆; 松井 寛樹; 前川 藤夫; 春日井 好己; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 明午 伸一郎; 関 正和; 坂元 眞一; et al.

JAEA-Technology 2011-040, 154 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2011-040.pdf:8.08MB

物質・生命科学実験施設(MLF)で発生する放射化機器については、高度に放射化しているものが多く、簡易な保管設備では保管できない。これまで、MLFの放射化物を対象として、原子力科学研究所内施設を利用した保管についての検討を行ってきたが、具体的な実施計画等の立案には至っていない。本報告では、MLFで発生する機器の概要や保管計画検討の経緯,現状での放射化機器発生予定,保管予定施設の状況についてまとめた。放射化機器の発生予定と保管予定施設(ホットラボ)の計画を照らし合わせた結果、双方の計画には隔たりがあることがわかった。また、ホットラボにおいて、現在の建物の状態や保管設備として利用するために必要な改修に関してコスト評価を行った結果、ホットラボを利用することに新規施設の建設と比較して優位性を見いだせないと結論できた。このため、新規施設建設に向けた検討を早急に行うこととした。

報告書

東日本大地震のJ-PARC中性子源ステーションに対する影響

酒井 健二; 坂元 眞一; 木下 秀孝; 関 正和; 羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 春日井 好己; 達本 衡輝; et al.

JAEA-Technology 2011-039, 121 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2011-039.pdf:10.87MB

本報告では、東日本大震災の発生時におけるJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子源ステーションの挙動,被害,復旧状況を調査し、本ステーションの緊急事態に対する安全設計について検証する。大震災発生時、MLFでは、幾つかの機器で大きな揺れを検知した後、外部電源が喪失し、全循環システムが自動停止した。水素は設計通り屋外に放出され、機器異常による水銀,水素,放射性ガスの漏えいも生じなかった。一方、激しい揺れは、遮蔽体ブロックのずれ、建屋周辺の地盤沈下による外部供給配管の破断を引き起こした。この配管破断による圧縮空気の圧力低下は、水銀ターゲット台車固定装置などに影響を及ぼしたが、主要機器の大きな破損までは至らなかった。これらの結果は、本ステーションの緊急事態に対する安全設計の妥当性を実証できたとともに、幾つかの改善点も見いだされた。

論文

Influence of Great East Japan Earthquake on neutron target station in J-PARC

酒井 健二; 二川 正敏; 高田 弘; 坂元 眞一; 前川 藤夫; 木下 秀孝; 関 正和; 羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; et al.

Proceedings of 20th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS-20) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2012/03

本報告では、東日本大震災の発生時におけるJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子源ステーションの挙動、被害状況を調査する。大震災発生時、MLFでは幾つかの機器で大きな揺れを検知した後、外部電源が喪失し、全循環システムが自動停止した。水素は設計通り屋外に放出され、機器異常による水銀, 水素, 放射性ガスの漏えいも生じなかった。一方、激しい揺れは遮蔽体ブロックのずれ、建屋周辺の地盤沈下による外部供給配管の破断を引き起こした。この配管破断による圧縮空気の喪失は、圧空シリンダーを用いた固定装置や空気操作弁などに影響を及ぼしたが、主要機器の大きな破損までは至らなかった。これらの結果は、本ステーションの緊急事態に対する安全設計の妥当性を実証した。

報告書

Horonobe Underground Research Laboratory Project; Synthesis of phase I investigation 2001 - 2005, Volume "Geological disposal research"

藤田 朝雄; 谷口 直樹; 松井 裕哉; 棚井 憲治; 前川 恵輔; 澤田 淳; 牧野 仁史; 笹本 広; 吉川 英樹; 柴田 雅博; et al.

JAEA-Research 2011-001, 193 Pages, 2011/03

JAEA-Research-2011-001.pdf:5.23MB

本報告書では、堆積岩で塩水系地下水を対象とした幌延深地層研究計画において段階的に得られる地質環境条件を一つの適用例として、第1段階である地上からの調査で得られた情報をもとに処分場の設計技術や性能評価技術それぞれの適用性について論じるとともに、必要に応じて実施した技術の改良や代替技術の開発状況を取りまとめた。

報告書

「地質環境総合評価技術高度化開発; 次世代型サイト特性調査情報統合システムの開発」平成19年度成果報告書(受託研究)

大澤 英昭; 太田 久仁雄; 濱 克宏; 澤田 淳; 竹内 真司; 天野 健治; 三枝 博光; 松岡 稔幸; 宮本 哲雄; 豊田 岳司; et al.

JAEA-Research 2008-085, 742 Pages, 2008/11

JAEA-Research-2008-085-1.pdf:26.22MB
JAEA-Research-2008-085-2.pdf:16.64MB
JAEA-Research-2008-085-3.pdf:28.27MB

本報告書は、経済産業省資源エネルギー庁から受託した平成19年度地層処分技術調査等委託費(地層処分共通技術調査:地質環境総合評価技術高度化開発)の平成19年度の成果を示すものである。

論文

Microbubble formation at a nozzle in liquid mercury

Bucheeri, A.; 粉川 広行; 直江 崇; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 前川 克廣*

Journal of Nuclear Science and Technology, 45(6), p.525 - 531, 2008/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:78.96(Nuclear Science & Technology)

J-PARCに設置される水銀を核破砕標的に用いたパルス中性子源では、パルス陽子線入射によって発生する水銀中の圧力波がキャビテーションを誘発し、標的容器健全性を低下させるとして問題視されている。この圧力波を抑制するための方策の一つとして、水銀中へ微小気泡を注入することを検討している。圧力波の抑制効果は注入する気泡径,気泡率に依存する。水銀中における微小気泡生成技術を構築するために、水銀中における気泡生成挙動を把握することが重要である。本報告では、計算流体力学シミュレーションにより水銀中の生成気泡挙動を評価した。さらに、静止水銀中において微小ノズルからの気泡生成を高輝度X線により可視化し、シミュレーションとの比較を行った。その結果、静止下では水銀の高い表面張力により気泡はノズル外周に沿って成長し気泡径は大きくなること、流動下では表面張力の影響が小さくなることを明らかにした。

論文

Wettability effect on bubble formation at orifice type nozzle

Bucheeri, A.; 粉川 広行; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

実験力学, 7(4), p.331 - 336, 2007/12

J-PARCには、水銀をターゲット材に用いた核破砕中性子源が設置される。高出力の陽子線が水銀に入射すると、圧力波によってキャビテーションが誘発される。キャビテーション損傷を抑制するために、直径50-200$$mu$$m程度のマイクロバブルを水銀中へ注入することを検討している。しかしながら、水銀は濡れ性が悪いため、水銀中における気泡の生成は困難である。また、水銀は不透明であるため、水銀中における気泡生成の観察は困難である。そこで、濡れ性が悪い条件における気泡生成挙動を再現するために、濡れ性を人工的に変化させて水中で気泡生成実験を行った。穴径100$$mu$$mのオリフィスからの気泡の成長過程を高速度ビデオカメラにより観察した。さらに、オリフィスからの気泡の成長に濡れ性が及ぼす影響を調べるために、数値解析を行った。その結果、生成される気泡直径は接触角に依存し、濡れ性が悪くなるに従い気泡直径は増大した。

報告書

地質環境調査・物質移行評価に関する研究の基本的な方針

前川 恵輔; 澤田 淳; 太田 久仁雄; 操上 広志; 國丸 貴紀; 舟木 泰智; 濱 克宏; 竹内 真司; 天野 健治; 三枝 博光; et al.

JAEA-Review 2007-011, 8 Pages, 2007/03

JAEA-Review-2007-011.pdf:0.66MB

日本原子力研究開発機構が進めている地層処分技術に関する研究開発のうち、地上からの調査研究段階を対象として、地質環境調査から水理・物質移行の解析・評価に至る一連の評価手法の整備を目的とした研究テーマである「地質環境調査・物質移行評価に関する研究」について、今後5年程度を見通した研究の目標と進め方を示したものである。

報告書

幌延深地層研究計画における地上からの調査研究段階(第1段階)研究成果報告書; 分冊「地層処分研究開発」

藤田 朝雄; 谷口 直樹; 松井 裕哉; 棚井 憲治; 西村 繭果; 小林 保之; 平本 正行; 前川 恵輔; 澤田 淳; 牧野 仁史; et al.

JAEA-Research 2007-045, 140 Pages, 2007/03

JAEA-Research-2007-045-1.pdf:38.33MB
JAEA-Research-2007-045-2.pdf:44.62MB

本報告書では、堆積岩で塩水系地下水を対象とした幌延深地層研究計画において段階的に得られる地質環境条件を一つの適用例として、第1段階である地上からの調査で得られた情報をもとに処分場の設計技術や性能評価技術それぞれの適用性について論じるとともに、必要に応じて実施した技術の改良や代替技術の開発状況を取りまとめた。処分技術の信頼性向上では、最新の知見を踏まえ第2次取りまとめにおいて示された処分場全体設計フローの更新や人工バリアなどの設計手法の詳細化、並びに設計における地質環境条件の一般的な留意点や設計入力データ項目について整理を行った。また、これらを踏まえ、幌延の地質環境条件を一例とした場合の施設設計,人工バリア設計及び閉鎖設計を通じて第2次取りまとめで採用された設計手法が適用可能であることがわかった。安全評価手法の高度化については、第2次取りまとめにおいて示された安全評価手法を実際の地質環境に適用するために必要な具体的な作業をフローとして構築した。これに基づき、幌延の地質環境条件を一例として物質移行解析を行い、これらの検討を通じて第2次取りまとめの手法を堆積岩地域に適用した場合の調査から解析・評価に至る一連の方法論及び、その過程で得られるノウハウや知見,調査や解析上の留意点を整理した。

論文

Laser surface alloying of SUS316 stainless steel with Al-Si; Effect of substrate temperature on structure and properties of modified layer

Zherebtsov, S.*; 前川 克宏*; 林 照剛*; 二川 正敏

JSME International Journal, Series A, 48(4), p.292 - 298, 2005/10

核破砕パルス中性子源水銀ターゲット容器材料の衝撃壊食に対する耐性は、接触液界面を硬化することが有効である。本報告では、硬化処理技術として、レーザー合金法の適用を試みた。容器候補材料である316ステンレス鋼に対して、Al-Si粉末を添付しレーザー熱衝撃を加えることで表層のみを合金化した。合金層厚さは、約100ミクロンに達し、硬度は基材の4倍程度になった。表層は、組成比の異なる4層から形成された。各層の形成には基材温度が大きく影響することがわかった。この知見をもとに、クラックフリーで硬度を4倍に上昇できるレーザー処理条件を確立した。

報告書

地質環境の調査から物質移行解析にいたる一連の調査・解析技術; 2つの深地層の研究施設計画の地上からの調査研究段階(第1段階)における地質環境情報に基づく検討

牧野 仁史; 澤田 淳; 前川 恵輔; 柴田 雅博; 笹本 広; 吉川 英樹; 若杉 圭一郎; 小尾 繁*; 濱 克宏; 操上 広志; et al.

JNC-TN1400 2005-021, 148 Pages, 2005/09

JNC-TN1400-2005-021.pdf:22.58MB

実際の地質環境を対象とした物質移行解析に係わる技術基盤の検討として,2つの深地 層の研究施設計画から得られた地質環境情報を活用して一連の作業の枠組みを検討した。この検討を通じて、枠組みとなる作業のフローを作成しその有効性を確認した。さら に、そのフローに従った作業を実際の地質環境の情報を用いて行うことにより、作業 内容の具体化とともに、個々の作業および作業全体の向上に必要となる課題を明らか にすることができた。

論文

Effect of proton beam profile on stress in JSNS target vessel

粉川 広行; 石倉 修一*; 佐藤 博; 原田 正英; 高玉 俊一*; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 日野 竜太郎; 明午 伸一郎; 前川 藤夫; et al.

Journal of Nuclear Materials, 343(1-3), p.178 - 183, 2005/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:49.4(Materials Science, Multidisciplinary)

JSNSのために開発を進めているクロスフロー型(CFT)水銀ターゲットでは、ビーム窓近傍での水銀の停滞領域発生を抑制するために、水銀を陽子ビームに直交するようにフローガイドブレードに沿って流す。これまで、水銀のモデルに弾性モデルを用いて動的応力解析を行ってきた。しかしながら、実際に陽子ビームを用いた最近の実験結果から、水銀のモデルにカットオフ圧力モデルを用いた方が実験結果に近い動的応力が得られることが示された。そこで、カットオフ圧力モデルを用いて動的応力解析を行った結果、半円筒型ビーム窓に発生する動的応力が、平板型ビーム窓に発生する応力よりも低くなることを明らかにした。また、陽子ビームを広げてピーク発熱密度を218W/ccまで低減して、ビーム窓の発生応力を許容応力以下にした。一方、陽子ビーム窓を広げたため、フローガイドブレード先端の発熱密度が高くなり、許容応力を超える熱応力が発生したが、ブレードの先端の形状を、水銀の流動分布に影響を及ぼさない範囲で薄くすることによって、発生する熱応力を許容応力以下にした。

報告書

J-PARC核破砕中性子源のターゲット台車の遮蔽設計

田村 昌也; 前川 藤夫; 原田 正英; 羽賀 勝洋; 今野 力

JAERI-Tech 2005-020, 58 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-020.pdf:18.82MB

J-PARC核破砕中性子源施設における水銀ターゲット台車設計の詳細化及び建屋設計の変更に伴い、ターゲット台車の遮蔽性能評価を行った。目標線量は、台車後方にある1.5mのコンクリート壁の背後にあるマニピュレータ室で25$$mu$$Sv/h以下、さらに1.5mのコンクリート壁の背後にある一般区域で0.5$$mu$$Sv/h以下である。屈曲した水銀配管及びターゲット台車と台車周りのライナーとのギャップ等を詳細に3次元モデル化することで、ストリーミング効果等を評価できるようにし、ターゲット台車周辺の線量分布を3次元モンテカルロコードNMTC/JAMを用いて求めた。コンクリート壁は単純なバルク遮蔽計算で十分であるため、MCNPXコードにより先の計算で求めた台車後端部の中性子束を線源とした1次元球体系モデルを用い、マニピュレータ室及び一般区域における線量を求めた。鉄遮蔽の増加、さらにギャップ等によるストリーミングを抑制することで、マニピュレータ室及び一般区域で目標線量限度以下にできるターゲット台車の遮蔽構造を決定した。

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