Flow separation at inlet causing transition and intermittency in circular pipe flow

小川 益郎*

JAEA-Technology 2019-010, 22 Pages, 2019/07

JAEA-Technology-2019-010.pdf:1.5MB

円管内流れは、流れが実際に遷移し、遷移流が間欠性を示すにもかかわらず、あらゆる小さな外乱に対して線形的に安定である。このことは、流体力学ではまだ解決されていない大きな課題の一つである。そこで、著者は、これまで誰も気がつかず認識してこなかった事実を初めて指摘する。この事実というのは、「円管内の流れは、流れの剥離によって、円管入り口付近に形成される剥離泡から放出された渦のために層流から遷移し、そして渦放出が間欠的であるために遷移流が間欠性を示す。」というものである。この事実は、円管の入口形状が遷移レイノルズ数に大きく影響することや、第3の遷移現象に分類されている外側円筒が支配的に回転する同心二重円筒間の流れが円管内の遷移流れと同様に流れの剥離によって間欠性を示すといった、多くの実験結果によって裏付けられている。本研究によって、高温ガス冷却炉の熱流体設計において最も重要な課題の一つである熱伝達促進のために、急縮小型の入口形状が遷移開始レイノルズ数をできる限り小さくできることを明らかにした。

高温ガス炉を用いた使用済み燃料の放射性潜在的有害度の低減に関する研究

深谷 裕司; 國富 一彦; 小川 益郎

日本原子力学会和文論文誌, 14(3), p.189 - 201, 2015/09

https://doi.org/10.3327/taesj.J14.037

高温ガス炉を用いた使用済み燃料の放射性潜在的有害度の低減に関する研究を行った。分離変換とは異なり、有害度発生自体を減らすことができる炉心概念という観点からの研究である。有害度発生量を減らすためにはPu, Am, Cmの発生源であるUを排除する必要がある。そのため、Uに代わる新たな燃料母材を用いた高温ガス炉を提案した。その候補として、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)とトリウムを検討した。核燃料物質としては、濃縮度93%の高濃縮ウランを想定した。この高濃縮ウランを用いることによりその有害度を大幅に低減することができ、天然ウランレベルの有害度レベルまで減衰させるのに必要な冷却期間が800年程度に低減できる。燃料健全性および核拡散抵抗性もYSZによる希釈により保つことができ、核的自己制御性に関してもエルビウム添加により保持できる。熱エネルギー発生量に関しても通常のウラン燃料と同等の発生量が得られる。発電原価も通常のGTHTR300炉心と同等に安価である。本炉心概念では通常のウラン炉心の10万年程度の冷却期間を1%以下の800年程度に低減することができる。

炭素循環型スマート製鉄(iACRES)への高温ガス炉の適用性評価

林 健太郎*; 笠原 清司; 栗原 孝平*; 中垣 隆雄*; Yan, X.; 稲垣 嘉之; 小川 益郎

炭素循環製鉄研究会成果報告書; 炭素循環製鉄の展開, p.42 - 62, 2015/02

高温ガス炉(HTGR)を適用した炭素循環製鉄(iACRES)のフローモデルによるプロセス評価を行った。高温電解で高炉ガス中のCOをCOに還元して高炉にリサイクルするSOECシステムと、ISプロセスで製造したHによる逆シフト反応でCOをCOに還元して高炉にリサイクルするRWGSシステムを検討し、通常の高炉製鉄と比較した。原料炭消費量はSOECシステムで4.3%、RWGSシステムで10.3%削減され、CO排出量はSOECシステムで3.4%、RWGSシステムで8.2%削減された。逆シフト反応で消費されずに残存したHが高炉で鉄源の還元に使われることが、RWGSシステムにおいて原料炭消費の節約割合とCO排出削減率が大きくなった原因であった。SOECシステムではCO電解、RWGSシステムではISプロセス水素製造が最も多くの熱量を消費し、HTGR熱の効率的利用のために、CO電解温度の最適化や高いISプロセス水素製造効率が求められた。典型的な高炉1基あたり、SOECシステムでは0.5基、RWGSシステムでは2基のHTGRが必要となった。逆シフト反応で未反応のHを再利用することで、RWGSシステムのHTGR熱の効率的利用と、CO排出量削減が期待される。

高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの経済性評価

岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治; 稲垣 嘉之; 國富 一彦; 小川 益郎

JAEA-Review 2014-037, 14 Pages, 2014/09

JAEA-Review-2014-037.pdf:8.84MB

高温ガス炉の熱エネルギーを用いることにより、水から水素を製造する熱化学法ISプロセスは、COを排出することなく、安定かつ大量に水素を生産できうる、将来の最有力水素製造技術の一つとして、水素・燃料電池戦略ロードマップに記載されるなど、大きな期待が寄せられている。今後、実用化に向けた経済性評価が必要だが、将来の商用高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの経済性を精度よく評価することは現段階では困難である。そこで、既存の化石資源を用いた大型商用水素製造プラントの経済性評価データを基に、高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの経済性を評価した。本評価において、水素製造コストは25.4円/Nmであり、それに占める水素製造装置の構成要素の割合から、エネルギー源である高温ガス炉の建設コストの削減、稼働率の向上、水素製造熱効率の改善が水素製造コストの低下に大きく寄与することがわかった。この水素製造コストは燃料電池自動車(FCV)用水素燃料などに求められる水素製造コストを十分満足できることから、この値を高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの水素製造コスト目標値として研究開発をすすめていく。

Feasibility study on Naturally Safe HTGR (NSHTR) for air ingress accident

大橋 弘史; 佐藤 博之; 橘 幸男; 國富 一彦; 小川 益郎

Nuclear Engineering and Design, 271, p.537 - 544, 2014/05

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.12.029

福島第一原子力発電所事故以降、いかなる事故が発生しても、特段の機器・設備を必要とせず、物理現象のみで人及び環境に有害な放射線の影響を与えないことを目的とした本質的安全高温ガス炉の研究開発を開始した。高温ガス炉にとって過酷な事象である空気侵入事故時において、燃料被覆層の放射性物質閉じ込め機能を喪失させる原因事象として、黒鉛酸化反応で発生する一酸化炭素(CO)の爆発による破損、黒鉛酸化反応熱による昇華等が挙げられる。本研究では、1次系配管の2箇所破断を想定した過酷な空気侵入事故時における本質的安全高温ガス炉の技術的成立性を示すため、1次元定常モデルを用いて、円管流路におけるCO濃度及び反応熱に関する解析評価を行った。この結果、空気中の酸素との穏やかな反応によって冷却流路出口におけるCO濃度を爆発下限濃度未満に抑制、及び反応熱を物理現象のみによって除去可能な冷却材流路形状の条件が存在することを明らかにした。これにより、空気侵入事故時のCO爆発抑制及び反応熱除去に関して、本質的安全高温ガス炉の技術的成立性を示すことができた。

Inherently-safe high temperature gas-cooled reactor for hydrogen production

小川 益郎; 國富 一彦; 佐藤 博之

Keynote Lecture for International Conference of PM2.5 & Energy Security 2014 (PMES 2014), p.72 - 74, 2014/03

高温ガス炉技術の研究開発における現状に加え、高温ガス炉の環境保全性、安全性、経済性、持続性、核不拡散性に関する特長について紹介する。

水素製造・貯蔵の最新動向; 熱化学水素製造法ISプロセス

久保 真治; 小川 益郎

日本エネルギー学会誌, 92(11), p.1041 - 1045, 2013/11

熱化学水素製造法は、原子力や自然エネルギーから得られる熱を用いて水素製造が可能であり、従来の水電解水素製造に代わる方法として注目されるようになってきた。本報は、熱化学水素製造法の原理、熱化学水素製造法ISプロセスの反応構成および国内外の研究開発状況について述べ、熱化学水素製造法ISプロセスの研究動向を概観する。ISプロセスは、熱化学水素製造法のなかで最も研究開発が盛んな方法で、研究開発は、現在、基盤技術の確証段階にある。本プロセスの実用化するための重要課題の一つに実用工業材料製化学反応器の製作性および厳しい腐食環境中での信頼性を確証することが挙げられる。この課題は、日本をはじめ、中国と韓国が取り組んでいる。

Inherently-safe high temperature gas-cooled reactor

小川 益郎

Zero-Carbon Energy Kyoto 2012, p.183 - 194, 2013/00

http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-4-431-54264-3_20

VHTRとしても知られている高温ガス炉(HTGR)は、六つの第四世代原子力エネルギーシステムのうちの一つである。HTGRは、50%の効率で発電が可能であり、また、水素や高品質のプロセスヒートを供給できる。そして、600MW程度の小型プラントであっても、高い経済性と安全性を有する。本論文では、公衆・社会・環境にとっての安全性をとことん追求する本質的に安全なHTGRの新しい概念を提案する。この概念は、いかなる事故が起きても、物理現象のみによって、特段の能動的,受動的機器・設備なしに、自己制御性によって安全な状態に静定するよう設計するものである。この本質的安全特性の一部は、既に、HTTRで確証されている。本質的に安全なHTGRの概念が成立するために必要な条件を解析し、その結果をここで報告する。

Process flow sheet evaluation of a nuclear hydrogen steelmaking plant applying high temperature gas-cooled reactors for efficient steel production with less CO emissions

笠原 清司; 稲垣 嘉之; 小川 益郎

Proceedings of 6th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2012) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2012/10

石炭を非化石エネルギーによる水素に置き換えた製鉄プラントはCO排出低減に有効である。高温ガス炉-熱化学法ISプロセスによる原子力水素製鉄(NHS)におけるCO排出低減のフローシート評価を行った。投入物質製造,輸送,発電を含む投入熱とCO排出量を高炉製鉄(BFS)と比較した。NHSの投入熱はBFSの141-159%と大きいものであったが、CO排出は9-17%にまで低減された。シャフト炉に吹き込まれる水素を石炭燃焼により予熱することで、CO排出は少し増加するものの、投入熱低減には有効であった。原子炉の製鉄プラントへの近接立地の問題が解決されれば、核熱での水素の直接加熱はCO排出の増加無く熱収支を改善できることが期待された。水素製造効率がNHSの投入熱に及ぼす影響は大きかった。600MW規模の高温ガス炉を単位とするNHSプラントはシャフト炉と電気炉を1基ずつ備え、製鉄量は7.4310t/yとなった。

炭素循環製鉄システムのエネルギー源としての高温ガス炉の検討

笠原 清司; 佐藤 博之; 稲垣 嘉之; 小川 益郎

材料とプロセス(CD-ROM), 25(2), p.647 - 650, 2012/09

製鉄におけるCO排出量の削減、並びに還元材である炭素資源の供給安全保障を目的として、製鉄プロセスへの炭素循環エネルギーシステム(ACRES)の適用が検討されている。ACRESは炭素資源利用後に発生するCOを非炭素系一次エネルギーによって炭素資源(CO)に再生し、再利用するものである。この適用性を評価するためには、非炭素系一次エネルギーやCO再生技術の選定が重要な課題となる。CO再生には電気・水素・高温熱等の利用が考えられることから、これらの供給が可能な高温ガス炉がその候補として挙げられる。ここでは、炭素循環製鉄システムのエネルギー源としての高温ガス炉について、熱・物質収支等の検討を行った。また、再生可能エネルギーである太陽光・熱もACRESの非炭素系一次エネルギーとして有望と考えられる。そこで、高温ガス炉と太陽光・熱による電気・熱供給の併用を想定して、高温ガス炉における負荷変動追従の成立性についても検討し、高温ガス炉と太陽光・熱の併用が可能であることを示した。