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報告書

冷却系機器開発試験施設・ナトリウム試験装置(マザーループ)の製作

今村 弘章; 鈴木 将*; 下山 一仁; 宮越 博幸

JAEA-Technology 2019-005, 163 Pages, 2019/06

JAEA-Technology-2019-005.pdf:25.24MB

高速炉開発における安全性強化や技術実証の確立を目指した研究開発に向けて、冷却系機器開発試験施設(AtheNa施設)の整備を進めており、この一環として、このたびナトリウム試験装置(マザーループ)の製作・設置を完遂させた。本装置は、世界最大級の約240tの大容量ナトリウムを保有し、純度管理された高温ナトリウムを、大型機器開発やシステム開発等の技術実証のための各試験部へ安定して供給できるものであり、今後の国際協力を含めた研究開発として大いに期待されるものである。本報は今後の研究開発に資することを狙いに、ナトリウム試験装置(マザーループ)の設計仕様や製作・設置状況、及び機能確認結果の記録をとりまとめたものである。

論文

Experimental investigation on bubble characteristics entrained by surface vortex

江連 俊樹; 木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

Nuclear Engineering and Design, 241(11), p.4575 - 4584, 2011/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:31.54(Nuclear Science & Technology)

近年のナトリウム冷却型高速炉設計では、炉容器をコンパクト化が検討されているが、ナトリウムの自由液面からのカバーガス巻込みが重要な課題となっている。本研究では、液面渦によるガス巻込みに関して、巻込まれる気泡径についての知見を得るため、基礎的な水試験を実施した。巻込まれた気泡の画像に対し、画像処理に行うことにより、気泡径を算出し、気泡径分布を幾つかの実験条件に対して求めた。また、渦周囲の速度場と表面のくぼみ形状(ガスコア)を同時に計測することで、それらが巻込まれる気泡形状に与える影響について調査した。以上の結果、巻込まれた気泡の平均等価直径は実験条件の範囲において、1.3mm-2.1mmの範囲で変化しており、気泡の大きさはガスコアの太さに影響されることを明らかにした。

論文

Sodium experiments on decay heat removal system of Japan sodium cooled fast reactor; Start-up transient of decay heat removal system

上出 英樹; 小林 順; 小野 綾子; 木村 暢之; 宮越 博幸; 渡辺 収*

Proceedings of 7th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-7) (CD-ROM), 8 Pages, 2010/11

大型ナトリウム冷却高速炉の実用化を目指し、完全自然循環方式の崩壊熱除去システムに関する研究開発を進めている。本報告では、これまでに設計例の少ない中間熱交換器に挿入する形式の崩壊熱除去用冷却器(PRACS熱交換器)の伝熱特性並びに1次冷却系と崩壊熱除去系の自然循環に関するナトリウム試験を実施した結果を示す。試験では、PRACS熱交換器の熱伝達率を求めるとともに、すべての系統が自然循環となる崩壊熱除去系の2次側ナトリウム系統、空気冷却器空気側の待機運転から起動時のスムーズな自然循環流量の立ち上がりを確認した。

論文

Experimental study on gas entrainment due to nonstationary vortex in a sodium cooled fast reactor; Comparison of onset conditions between sodium and water

木村 暢之; 江連 俊樹; 宮越 博幸; 上出 英樹; 福田 武司*

Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 132(10), p.102908_1 - 102908_6, 2010/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:59.13(Engineering, Mechanical)

ナトリウム冷却高速炉の炉上部プレナムの自由液面で発生が懸念されているガス巻込み現象に関して、同一形状の水試験とナトリウム試験を実施し、発生条件に対する流体物性値の影響を確認した。その結果、水に比べてナトリウムの方が、わずかにガス巻込みを発生しにくいことがわかった。

論文

Experimental study on thermal stratification in a reactor vessel of innovative sodium-cooled fast reactor; Mitigation approach of temperature gradient across stratification interface

木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(9), p.829 - 838, 2010/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:65.47(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム冷却高速炉のスクラム過渡時温度成層化現象に関して、1/10縮尺炉上部プレナム水流動試験装置を用い、成層界面挙動に対する燃料交換機貫通孔プラグ高さの影響を評価した。プラグを炉上部プレナム内に深く挿入することで、炉容器壁近傍の成層界面温度勾配は小さくできるとともに、界面の変動に伴う温度変動も低減できることがわかった。

論文

大型ナトリウム冷却高速炉(JSFR)の自然循環崩壊熱除去に関する試験研究

上出 英樹; 宮越 博幸; 渡辺 収*; 江口 譲*; 古賀 智成*

日本機械学会論文集,B, 76(763), p.460 - 462, 2010/03

大型ナトリウム冷却高速炉の実用化を目指し、完全自然循環方式の崩壊熱除去システムについて、試験と解析を組合せた研究開発を進めている。試験では1次主冷却系の自然循環に関する縮尺水試験,崩壊熱除去系と中間熱交換器に挿入する崩壊熱除去用冷却器の自然循環と伝熱特性に関する部分モデルナトリウム試験を実施している。ナトリウム試験では、すべての系統が自然循環となる崩壊熱除去系の2次側ナトリウム系統、空気冷却器空気側の待機運転から起動時のスムーズな自然循環流量の立ち上がりを確認した。

論文

1/1.8縮尺部分モデルによるナトリウム冷却高速炉内ガス巻込み現象に関する実験研究

江連 俊樹; 木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

日本機械学会論文集,B, 76(763), p.457 - 459, 2010/03

ナトリウム冷却型高速炉における炉容器内の自由液面からのガス巻込み現象評価を目的として、炉容器上部プレナム液面付近を縮尺比1/1.8で模擬した部分モデル試験装置を用いて水試験を実施した。本試験装置を用いて、実機起動時で予想されるガス巻込み発生形態及び発生条件を把握した。その結果、実機ではガス巻き込みを抑制できる見通しを得た。また、ガス巻き込みが発生しない条件では、下降流速が液面まで到達しないことにより、ガス巻込みが抑制されることを示した。

報告書

1/1.8縮尺液面部分モデルによる原子炉容器内ガス巻込み特性の評価; 原子炉起動時を対象とした低液位ガス巻込み特性の評価

江連 俊樹; 木村 暢之; 飛田 昭; 宮越 博幸; 上出 英樹

JAEA-Research 2009-021, 44 Pages, 2009/09

JAEA-Research-2009-021.pdf:22.4MB

高速炉サイクル実用化研究開発において、炉容器をコンパクト化したナトリウム冷却高速炉の開発を行っている。コンパクト化の結果、炉容器自由液面からのカバーガスの巻込み(ガス巻込み)が発生する可能性があり、その抑制が重要課題となっている。これまでの研究では、1/1.8縮尺の部分セクターモデル試験装置(部分モデル試験装置)により、設計妥当性を確認する試験を実施し、原子炉定格運転条件ではガス巻込みが抑制される見通しが得られている。一方で、原子炉起動時及び停止操作時にはナトリウム液位が低い条件での運転が想定され、これらの条件においてもガス巻込みが抑制可能か確認する必要がある。本研究では、実機起動時及び停止時に想定される低液位の運転条件を対象としたガス巻込み評価を行った。部分モデル試験装置を用いて、実機起動時運転相当条件を含めた低液位条件下でのガス巻込み発生条件を定量化し、D/Pを2重化することにより発生を防止できることを確認した。

論文

Experimental study on high cycle thermal fatigue in T-junction; Effect of local flow velocity on transfer of temperature fluctuation from fluid to structure

木村 暢之; 小野 綾子; 宮越 博幸; 上出 英樹

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 16 Pages, 2009/09

温度の異なる流体が混合する領域では温度変動が発生し、その温度変動が構造材に伝わることにより、構造材に高サイクル熱疲労が発生する可能性がある。高サイクル熱疲労の評価において、流体から構造材への温度変動での伝達特性を明らかにすることは重要である。そこで、温度の異なる流体が合流するT字配管体系において、流体温度変動と構造材温度変動を同時に計測し、その温度変動の伝達特性を把握するとともに、構造材近傍の流速を同時に計測することによって、温度変動伝達特性に対する局所流速の影響を評価する水試験を実施した。その結果、温度変動の伝達特性を示す熱伝達率は、局所流速の増加とともに増加することが明らかになった。

論文

Experimental investigation on characteristic of entrained bubbles due to surface vortex

江連 俊樹; 木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 16 Pages, 2009/09

コンパクトで経済性の高いナトリウム冷却高速炉を実用化するため、炉上部プレナム自由液面でのガス巻込み評価が重要である。本研究では、液面渦によるガス巻込みについて、巻込み気泡についての基礎的知見を得ることを目的とした試験を実施した。気泡径を気泡画像から画像処理により算出し、その分布を求めた。加えて、周囲の流速場がガスコアと離脱気泡の形状に与える影響を把握するため、流速計測及びガスコア形状の可視化を実施した。計測の結果、本試験の試験範囲において、離脱気泡径が等価直径換算で1.34mm$$sim$$2.06mmであることがわかった。

論文

Study on velocity field in a wire wrapped fuel pin bundle of sodium cooled reactor; Detailed velocity distribution in a subchannel

佐藤 博之; 小林 順; 宮越 博幸; 上出 英樹

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 13 Pages, 2009/09

高燃焼度炉心を用いた高速炉の設計検討がなされている。この高燃焼度炉心の実現には、ワイヤー巻き燃料集合体内の詳細な流速分布を評価する手法の開発が必要であり、そのための検証データが求められている。ここでは、実機の2.5倍拡大7ピン集合体モデルを用いて、3本のピンに囲まれたサブチャンネル内の詳細な流速分布を粒子画像流速計測法により求めた。燃料ピン間のギャップ部垂直断面では、ワイヤー近傍の流速が低下する非対称な分布を形成すること、サブチャンネル内の水平断面では、ワイヤーを回り込む流れの計測に成功した。今後これらのデータは、評価手法検証に利用される。

論文

1/1.8縮尺部分モデルによるナトリウム冷却高速炉内ガス巻込み現象に関する実験研究

江連 俊樹; 木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

第14回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.423 - 424, 2009/06

ナトリウム冷却型高速炉における炉容器内の自由液面からのガス巻込み現象評価を目的として、炉容器上部プレナム液面付近を縮尺比1/1.8で模擬した部分モデル試験装置を用いて水試験を実施した。本試験装置を用いて、実機起動時で予想されるガス巻込み発生形態及び発生条件を把握した。その結果、実機ではガス巻込みを抑制できる見通しを得た。また、ガス巻込みが発生しない条件では下降流速が液面まで到達しないことにより、ガス巻込みが抑制されることを示した。

論文

大型ナトリウム冷却高速炉(JSFR)の自然循環崩壊熱除去に関する試験研究

上出 英樹; 宮越 博幸; 渡辺 収*; 江口 譲*; 古賀 智成*

第14回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.427 - 428, 2009/06

大型ナトリウム冷却高速炉の実用化を目指し、完全自然循環方式の崩壊熱除去システムについて、試験と解析を組合せた研究開発を進めている。試験では1次主冷却系の自然循環に関する縮尺水試験,崩壊熱除去系と中間熱交換器に挿入する崩壊熱除去用冷却器の自然循環と伝熱特性に関する部分モデルナトリウム試験を実施している。ここでは、ナトリウム試験の成果を中心に、すべての系統が自然循環となる崩壊熱除去系の2次側ナトリウム系統,空気冷却器空気側の待機運転から起動時の過渡特性,熱交換器の伝熱特性など、試験結果を報告する。

論文

Experimental study on gas entrainment due to non-stationary vortex in a sodium cooled fast reactor; Comparison of onset conditions between sodium and water

木村 暢之; 江連 俊樹; 宮越 博幸; 上出 英樹; 福田 武司*

Proceedings of 17th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-17) (CD-ROM), 8 Pages, 2009/06

ナトリウム冷却高速炉の炉上部プレナムの自由液面で発生が懸念されているガス巻込み現象に関して、同一形状の水試験/ナトリウム試験を実施し、発生条件に対する流体物性値の影響を確認した。その結果、水に比べてナトリウムの方が、わずかにガス巻込みを発生しにくいことがわかった。

論文

Experimental study on onset of gas entrainment by 1/1.8 scale model of sodium cooled fast reactor

江連 俊樹; 木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

Proceedings of 6th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-6) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2008/11

設計検討中のナトリウム冷却高速炉(JSFR)において自由液面でのガス巻込み現象が重要な課題になっている。これまでの試験から、著者らはガス巻込みが定常状態において抑制されることを確認している。本報では、実機炉上部液面付近を模擬した大規模縮尺の部分モデル試験装置を用いて、実機の起動時を対象とした水試験を実施した。液面の可視化を行いガス巻込み発生条件を計測した。また、ガス巻込みの発生メカニズムを明らかにするために、鉛直方向流速分布計測を実施した。試験の結果、実機起動時ではガス巻込みが発生しないことを確認した。

論文

Experimental study on thermal stratification in a reactor vessel of innovative sodium cooled fast reactor; Mitigation approach of temperature gradient across stratification interface

木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

Proceedings of 6th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-6) (USB Flash Drive), 7 Pages, 2008/11

ナトリウム冷却高速炉のスクラム過渡時温度成層化現象に関して、1/10縮尺炉上部プレナム水流動試験装置を用い、成層界面挙動に対する燃料交換機貫通孔プラグ高さの影響を評価した。プラグを炉上部プレナム内に深く挿入することで、炉容器壁近傍の成層界面温度勾配は小さくできるとともに、界面の変動に伴う温度変動も低減できることがわかった。

論文

Study on velocity field in a deformed fuel pin bundle; Influence of pin deformation and wrapping wire on velocity distribution

佐藤 博之; 小林 順; 宮越 博幸; 上出 英樹

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 9 Pages, 2008/05

ナトリウム冷却高速炉は、商業化を目指した高速炉サイクルシステムの実用化調査研究において高燃焼度炉心を達成するように設計されている。高燃焼度炉心の燃料集合体において、スウェリングと熱湾曲による燃料ピンの変形は、集合体内の流路の変化により流量が減少し、除熱性能に影響する可能性がある。そこで、2.5倍スケールの7本ピン集合体モデルを用いて、ピンの湾曲及びワイヤの流速分布への影響について調査した。試験体は、六角形のアクリル管と、水とほぼ同じ屈折率で高い透過率を持つフッ化物樹脂のピンから成る。これにより外側のピンを通して中心ピンまわりの流動の可視化が可能になった。リファレンスと変形条件における中心ピンまわりのサブチャンネルの速度分布をPIV計測法で測定した。また、ワイヤのまわりの速度分布を測定し、ワイヤはピン表面近傍の広範囲の速度と速度変動に影響することがわかった。

論文

Experimental investigation on transfer characteristics of temperature fluctuation from liquid sodium to wall in parallel triple-jet

木村 暢之; 宮越 博幸; 上出 英樹

International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(9-10), p.2024 - 2036, 2007/05

 被引用回数:43 パーセンタイル:14.94(Thermodynamics)

高速炉において、温度の異なる流体が混合することにより発生するサーマルストライピング現象を定量的に評価することは、構造健全性の担保及び設計合理化のうえで重要である。そこで、流体から構造材への非定常熱伝達挙動を明らかにするために、平行三噴流Na試験を実施した。構造材表面近傍における流体中と構造材中の温度変動から2点間の伝達関数を求め、既存の単一周期の理論式を適用し、熱伝達率を導出した。その結果、流体中の温度変動から構造材中の温度変動挙動を良好に再現することができた。

報告書

燃料集合体内の混合特性に関する研究; クロスフローによる混合現象とサブチャンネル解析の適用性

川又 伸弘; 宮越 博幸; 上出 英樹

JNC-TN9400 2004-047, 99 Pages, 2004/08

JNC-TN9400-2004-047.pdf:8.02MB

高速炉の燃料集合体におけるサブチャンネル間クロスフローに伴う混合現象に対して、ナトリウム伝熱流動実験を実施した。炉心の高燃焼度化に伴う燃料ピンの変形は集合体内の流れに影響を及ぼすと考えられ、その熱流動特性を考慮するときの要素としてサブチャンネルを横切るクロスフローが挙げられる。このようなクロスフローを形成させる目的で、ワイヤー巻きの37本ピン模擬燃料集合体に閉塞物を組みこんだ。クロスフローの中に置かれた1本のピンのみが加熱された条件で、その周囲の温度を測定した。これにより、クロスフローが混合特性に及ぼす影響を明らかにした。サブチャンネル解析コードASFREを実験解析に適用した。ASFREは多次元で運動量式を解き、また、ワイヤースペーサーに対する分布抵抗モデルが組み込まれている。 試験および解析から、次の知見が得られた。1)}測定された軸方向温度分布は、閉塞物側からの低温度流体のクロスフローによって、加熱ピン廻りのナトリウム温度が低下することを示した。また、ワイヤースペーサーが存在するサブチャンネルにおいてローカルな温度上昇を生ずることが分かった。2)}ASFREコードは、クロスフローによる温度低下を模擬し、軸方向温度分布の形状は測定データと良く一致した。3)}ワイヤー部分における局所ピークは、ASFREコードによって模擬されたが、ピークの値は実験に比べ低い値であった。クロスフローを伴った混合現象に対する実験的なデータベースがナトリウム冷却高速炉の集合体に対して得られ、ASFREコードがこのような混合特性を評価する上で高い適用性を有することを明らかにした。

報告書

サーマルストライピング現象の熱流動に関する研究; 壁面噴流Na/水試験および準DNSを用いたNaと水の混合特性比較評価

木村 暢之; 長澤 一嘉*; 三宅 康洋*; 宮越 博幸; 上出 英樹

JNC-TN9400 2004-064, 216 Pages, 2004/05

JNC-TN9400-2004-064.pdf:27.81MB

流体の温度変動に伴う高サイクル熱疲労の熱流動現象について、壁に沿った平行3噴流体系のNa、水試験、準DNSを用いた試験解析によるNaと水の温度変動特性の比較を行った。その結果、構造物の近傍ではNaの方が温度変動強度が小さく、水試験により保守的に温度変動特性を評価できることを示した。

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