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論文

Hydroxyl group/fluorine disorder in deuterated magnesium hydroxyfluoride and behaviors of hydrogen bonds under high pressure

He, X.*; 鍵 裕之*; 小松 一生*; 飯塚 理子*; 岡島 元*; 服部 高典; 佐野 亜沙美; 町田 真一*; 阿部 淳*; 後藤 弘匡*; et al.

Journal of Molecular Structure, 1310, p.138271_1 - 138271_8, 2024/08

重水素化ヒドロキシフルオロマグネシウム[理想組成はMg(OD)F]のO-D$$cdotcdotcdot$$F水素結合の高圧応答を中性子粉末回折とラマン分光法を用いて調べた。常温でのリートベルト解析の結果、化学組成はMg(OD)$$_{0.920(12)}$$F$$_{1.080(12)}$$であり、結晶構造中で水酸基/フッ素(OD/F)が無秩序化して、2つの水素結合配置が生じていることが分かった。構造解析の結果、水素結合配置は9.8GPaまで維持され、圧力による水素結合の強化は見られなかった。常圧でのラマンスペクトルでは、2613, 2694, 2718cm$$^{-1}$$に3つの水酸基伸縮バンドが観測された。O-D伸縮モードの周波数が高いことから、ヒドロキシル基は弱い水素結合相互作用、あるいは水素結合を持たないことが示唆された。20.2GPaまでは、2694cm$$^{-1}$$を中心とするモードは圧力によってブルーシフトを示し、水素結合は圧縮されても強化されないことが明らかになった。これは、中性子回折の結果と一致した。水素結合の存否と、常圧および高圧での水酸基のブルーシフトの原因について議論した。

論文

Seismic qualification of crossover piping systems on a sodium-cooled fast reactor with a seismic isolation system

渡壁 智祥; 奥田 貴大; 岡島 智史

Mechanical Engineering Journal (Internet), 11(2), p.23-00395_1 - 23-00395_13, 2024/04

高速炉開発においては、三次元免震の適用が計画されている。その場合、原子炉建屋とタービン建屋を繋ぐ渡り配管には、耐震プラントでは発生しない大きな変形が水平、上下方向に作用するため、渡り配管の耐震設計成立性が課題である。加えて、高速炉では、軽水炉と比べて高温熱を取り出すため、主蒸気配管も軽水炉と比べてより高温条件下での運転となることから、高温強度に配慮した設計が必要となる。ここでは、渡り配管レイアウトに対し、日本機械学会設計・建設規格第II編高速炉規格に基づく強度評価を実施し、その結果と過去の破損試験等の最新知見を踏まえ、高速炉用渡り配管の設計評価法を検討した。

論文

部門設立30周年記念出版Vol.3; ナトリウム冷却高速炉の開発; 高速炉の運用条件を考慮した規格基準類の開発

岡島 智史; 高屋 茂; 若井 隆純; 浅山 泰

第27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), 3 Pages, 2023/09

(一社)日本機械学会 動力エネルギーシステム部門の30周年を記念し、「JSME Series in Thermal and Nuclear Power Generation」の第3巻として「Sodium-cooled Fast Reactor(ナトリウム冷却高速炉)」が発刊となった。ナトリウム冷却高速炉は高温低圧の運転条件をはじめとして、軽水炉とは異なる特徴が多くあり、その設計及び維持にあたっては、軽水炉とは異なる考慮が必要となる。我が国では、ナトリウム冷却高速炉の実用化に向けて、炉の特徴を踏まえて適切な設計及び維持を行う手法の整備を目指した研究開発が継続的に実施されてきた。本報では、本書の5.6節から5.8節に記載した、これまでにナトリウム冷却高速炉の実用化に向けて積み重ねられた研究開発とその成果としての規格基準類の開発について概説する。

論文

高速炉機器設計の非弾性解析におけるクリープ緩和初期応力設定法の検討

能井 宏弥*; 渡邊 壮太*; 久保 幸士*; 岡島 智史; 安藤 勝訓

日本機械学会M&M2023材料力学カンファレンス講演論文集(インターネット), p.CL0712_1 - CL0712_5, 2023/09

本研究では、非弾性解析(弾塑性クリープ解析)によりクリープ損傷値を求める際に課題となる高温保持前の負荷に対して、保守的なクリープ損傷値の評価を可能とするために、既存の弾性解析に基づく保守的な評価手順の考え方と整合した緩和初期応力(解析における熱荷重条件)の設定方法を具体化した。また、具体化した手順を用いた非弾性解析により算出したクリープ損傷値は、保守性を持ちつつ現行の弾性解析に基づく評価結果よりも合理化された値となることを確認した。

論文

Application of a first-order method to estimate the failure probability of component subjected to thermal transients for optimization of design parameters

岡島 智史; 森 健郎; 菊地 紀宏; 田中 正暁; 宮崎 真之

Mechanical Engineering Journal (Internet), 10(4), p.23-00042_1 - 23-00042_12, 2023/08

本論文では、設計最適化のため熱過渡を受ける機器の破損確率を見積もる簡便な手順を提案する。破損確率は、機器の構造健全性の指標として多様な破損メカニズムに共通して利用できる。一回の評価に要する解析の回数を低減するため、最適化のための破損確率評価に一次近似二次モーメント法(FOSM法)を適用するとともに、実験計画法で用いられる直交表を入力パラメータ算出のための解析条件設定に利用した。また、熱過渡応力の時刻歴算出にあたり、有限要素解析に代えてランプ応答の重ね合わせを利用した。炉停止による熱過渡を受ける円筒容器の板厚最適化を行う例題を通じて、提案手法が板厚に応じた破損確率を現実的な計算コストで算出可能であることを確認した。

論文

Development of the buckling evaluation method for large scale vessels in fast reactors by the testing of Grade 91 steel and austenitic stainless steel vessels subjected to horizontal and cyclic vertical loading

岡藤 孝史*; 三浦 一浩*; 佐郷 ひろみ*; 村上 久友*; 安藤 勝訓; 岡島 智史

Proceedings of ASME 2023 Pressure Vessels and Piping Conference (PVP 2023) (Internet), 8 Pages, 2023/07

高速炉の容器を大型化することに伴う直径と板厚の比の増加や免震設計への適用に対応するため、軸圧縮,曲げ、およびせん断荷重下で弾塑性座屈を評価できる座屈評価方法を開発している。本研究では、検討中の評価手法の適用性を検証するために、改良9Cr-1Mo鋼およびオーステナイト系鋼の円筒試験体に対して水平荷重に加えて繰返し鉛直荷重を負荷する条件等を付した座屈試験と有限要素法解析を実施した。その結果、提案式による評価は、試験の座屈荷重に対して保守的であることが確認できた。

論文

Seismic evaluation of crossover piping on a sodium cooled fast reactor with three-dimensional isolation system

渡壁 智祥; 奥田 貴大; 岡島 智史

Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 5 Pages, 2023/05

高速炉開発においては、三次元免震の適用を前提としている。その場合、原子炉建屋とタービン建屋を繋ぐ渡り配管には、耐震プラントでは発生しない大きな変形が水平、上下方向に作用するため、渡り配管の耐震設計成立性が課題である。加えて、高速炉では、軽水炉と比べて高温熱を取り出すため、主蒸気配管も軽水炉と比べてより高温条件下での運転となることから、高温強度に配慮した設計が必要となる。ここでは、渡り配管レイアウトに対し、日本機械学会設計・建設規格第II編高速炉規格に基づく強度評価を実施し、その結果と過去の破損試験等の最新知見を踏まえ、高速炉用渡り配管の設計の在り方について検討する。

論文

Development of structural design optimization process for an advanced sodium-cooled fast reactor

菊地 紀宏; 森 健郎; 岡島 智史; 田中 正暁; 宮崎 真之

Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 8 Pages, 2023/05

原子力機構ではAI支援型革新炉ライフサイクル最適化手法(ARKADIA)を開発している。その一部として、ナトリウム冷却高速炉(SFR)を含む先進原子炉プラントでの設計最適化プロセスを支援するツール(ARKADIA-Design)の整備を進めている。われわれはSFRの機器構造の設計最適化プロセスの構築を行っている。本論文では、設計最適化プロセスの概要、プロセスにおける評価手法の概要紹介、実現可能性の検討のために実施した最適化プロセスのデモンストレーションの結果について示す。原子炉構造の設計最適化において、SFRの代表的な課題として熱過渡と地震動を考慮した代表例題に基づき、最適化プロセスの開発を行っている。本最適化プロセスでは、異なるメカニズムによる破損に対する荷重の寄与率を比べるため、最適化の目的関数の要素として破損確率を用いた。デモンストレーションを通じて、開発中の最適化プロセスが代表例題に対して最適解を提示する見通しを得た。

論文

Application of first-order method to estimate structural integrity in a probabilistic form of component subjected to thermal transient for optimization of design parameter

岡島 智史; 森 健郎; 菊地 紀宏; 田中 正暁; 宮崎 真之

Proceedings of 29th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 29) (Internet), 7 Pages, 2022/08

本論文では、設計最適化のため熱過渡を受ける機器の破損確率を見積もる簡便な手順を提案する。破損確率は、機器の構造健全性の指標として多様な破損メカニズムに共通して利用できる。一回の評価に要する解析の回数を低減するため、最適化のための破損確率評価に一次近似二次モーメント法(FOSM法)を適用するとともに、実験計画法で用いられる直交表を入力パラメータ算出のための解析条件設定に利用した。炉停止による熱過渡を受ける円筒容器の板厚最適化を行う例題を通じて、提案手法が板厚に応じた破損確率を現実的な計算コストで算出可能であることを確認した。

論文

ナトリウム冷却高速炉の原子炉構造設計最適化手法構築に向けた熱過渡荷重に対する影響因子のパラメーター解析の自動化

菊地 紀宏; 森 健郎; 岡島 智史; 田中 正暁; 宮崎 真之

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), 5 Pages, 2022/07

原子力機構では、ナトリウム冷却高速炉における熱過渡荷重と地震荷重に対する原子炉容器胴部の板厚の最適解を得るためのプロセスを代表例題として設定し、炉構造設計最適化手法を整備している。熱過渡荷重に対する原子炉容器の耐性は、ナトリウム冷却高速炉の構造健全性に関する安全性評価の重要な要因のひとつである。地震による機械荷重のような異なる破損メカニズムに対して共通した尺度となるように、熱過渡に対する機器の破損確率を、目的関数の要素を構成する変数の1つとして、設定した。設定した熱過渡荷重による破損確率の評価に用いる熱過渡荷重分布を求めるために、プラント動特性解析コードによるパラメーター解析を実施する。最適解を得るためには、設計変数の条件を変更して、相当回数のパラメーター解析を実施する必要がある。設計検討において、最適化に要する時間を短縮する必要があることから、まずは、時間のかかるこのパラメーター解析の自動化方法を検討し、最適化プロセスに実装した。

論文

先進型原子炉の設計プロセスの革新を実現するARKADIAの開発(設計最適化支援ツールARKADIA-Designにおける最適化プロセスの開発)

田中 正暁; 堂田 哲広; 横山 賢治; 森 健郎; 岡島 智史; 橋立 竜太; 矢田 浩基; 大木 繁夫; 宮崎 真之; 高屋 茂

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), 5 Pages, 2022/07

原子力イノベーションにおいて民間で実施される多様な炉システムの概念検討への支援を目的とし、既往知見を最大限活用した設計最適化や安全評価を実現するAI支援型革新炉ライフサイクル最適化手法「ARKADIA」の開発を開始した。その一部として、設計基準事象までを対象に開発している「ARKADIA-Design」によって実現する、炉心及び炉構造分野での設計検討、並びに保守・保全計画立案に関わる最適化プロセスの具体化検討について報告する。

論文

Development of the buckling evaluation method for large scale vessel in fast reactors by the testing of austenitic stainless steel vessel with severe initial imperfection subjected to horizontal and vertical loading

岡藤 孝史*; 三浦 一浩*; 佐郷 ひろみ*; 村上 久友*; 安藤 勝訓; 岡島 智史

Proceedings of ASME 2022 Pressure Vessels and Piping Conference (PVP 2022) (Internet), 9 Pages, 2022/07

高速炉の容器を大型化することに伴う直径と板厚の比の増加や免震設計への適用に対応するため、軸圧縮,曲げ、およびせん断荷重下で弾塑性座屈を評価できる座屈評価方法を開発している。本研究では、検討中の評価手法の適用性を検証するために、オーステナイト系鋼の円筒試験体に対して水平荷重に加えて繰返し鉛直荷重を負荷する条件等を付した座屈試験と有限要素法解析を実施した。その結果、提案式による評価は、試験の座屈荷重に対して保守的であることが確認できた。また、有限要素法解析により2.25Cr-1Mo鋼や550度を超える温度における適用性についても検証した。

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

Development of numerical analysis codes for multi-level and multi-physics approaches in an advanced reactor design study

田中 正暁; 堂田 哲広; 森 健郎; 横山 賢治; 上羽 智之; 岡島 智史; 松下 健太郎; 橋立 竜太; 矢田 浩基

Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 16 Pages, 2022/03

日本原子力研究開発機構では、ARKADIAと呼ぶ原子炉の革新的な設計システムの開発を進めている。ARKADIAは、安全性かつ経済性を高め、脱炭素エネルギー源となる革新的原子炉の設計を実現するものである。最初の開発段階として、設計検討のためのARKADIA-Designと、安全性評価のためのARKADIA-Safetyを開発する。本報告では、ARKADIA-Designに焦点を当て、システムの概念と、マルチレベル解析及びマルチフィジックス解析を実施するための数値解析コードについて説明する。また、解析コードを組み合わせて構築する機能及び妥当性確認としての対象問題についても言及する。

論文

Formulation of plastic strain distribution derived from long-distance travel of temperature distribution based on residual stress required for elastic shakedown behavior

岡島 智史

Mechanical Engineering Journal (Internet), 8(4), p.21-00080_1 - 21-00080_15, 2021/08

一次応力が存在しない場合であっても、長距離にわたる温度分布の移動によって熱ラチェットが発生することが報告されている。温度分布移動距離が過大でない場合には、このメカニズムによる塑性ひずみの累積は最終的に飽和に至る。このような飽和時点での累積塑性ひずみ分布と残留応力分布との間に、強い相関があることから、弾性シェイクダウン挙動に必要とされる残留応力分布をもとに、塑性ひずみの飽和分布を予測することを狙っている。本論文では、古典的なシェル理論に基づき、所定の領域に一様な周膜応力をもたらす塑性ひずみ分布を定式化した。定式化結果は、弾完全塑性材料を用いた有限要素解析の結果と比較することにより検証した。

論文

Development of the external pressure charts of 2 $$^{1}/_{4}$$Cr-1Mo and Mod.9Cr-1Mo steel at elevated temperature design

安藤 勝訓; 岡島 智史; 芋生 和道*

Proceedings of 2019 ASME Pressure Vessels and Piping Conference (PVP 2019) (Internet), 7 Pages, 2019/07

高温設計における座屈に対する必要な厚さの評価のため、2種類のフェライト鋼(2 $$^{1}/_{4}$$Cr-1MoおよびMod.9Cr-1Mo鋼)の外圧チャートを開発した。本提案においては、日本機械学会の高速炉規格で提供されている機械的および物理的特性を使用して、ASME BPVCに記載されているガイドラインに基づいて、各材料の外圧チャートを作成した。この外圧チャートの提案により、これまで実施されていた150$$^{circ}$$Cを上回る温度では、これらの鋼種について、代替的に他の材料の外圧チャートを使用して評価しなくてはならなかったことと、代替しても480$$^{circ}$$Cを超えた場合には外圧チャートによる評価ができないことの二つの問題が解決される。

論文

長距離にわたる温度分布の移動による累積塑性ひずみ分布形状の経路独立性に関する検討

岡島 智史

日本機械学会論文集(インターネット), 85(874), p.18-00348_1 - 18-00348_9, 2019/06

The prevention of excessive deformation by thermal ratcheting is important in the elevated temperature design of fast breeder reactors (FBR). In an experimental study that simulated a fast breeder reactor vessel near the coolant surface, it was reported that the long distance travel of temperature distribution causes a new type of thermal ratcheting, even in the absence of primary stress. Without excessive stress and travel distance, the inclement of the plastic strain derived from the above mechanism reduced each cycle of thermal transient, and finally reaches to approximately 0. In this paper, we investigate path independency on saturated distribution of plastic strain. For this purpose, we carried out several cases of finite element analyses with initial strain distribution, which simulated plastic strain distribution in the middle of accumulating. As the result, we confirmed that the shape of saturated distribution has small dependency on the shape of distribution in the middle of accumulating. Additionally, in the case using conservative initial strain distribution, further accumulation of plastic strain was not observed. This result suggests the possibility of the method that evaluate whether the accumulation of the plastic strain go beyond design limits.

論文

長距離にわたる温度分布の移動による累積塑性ひずみ分布形状の経路独立性に関する検討

岡島 智史

第23回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 5 Pages, 2018/06

円筒容器に生じた軸対称温度分布が、長距離にわたって繰返し移動するとき、繰り返しごとに継続的に塑性ひずみが累積することが知られている。熱応力及び温度分布移動距離が過大でない場合には、塑性ひずみ累積は最終的に終了する。この塑性ひずみ累積メカニズムについて、弾塑性有限要素解析に基づく検討を行った。結果として、最終的に進行が終了した時点での塑性ひずみ分布の形状は、途中段階での塑性ひずみ分布形状への依存性が小さいことを明らかにした。

論文

Study on a unified criterion for preventing plastic strain accumulation due to long distance travel of temperature distribution

岡島 智史; 若井 隆純; 川崎 信史

Mechanical Engineering Journal (Internet), 4(5), p.16-00641_1 - 16-00641_11, 2017/10

The prevention of excessive deformation by thermal ratcheting is important in the design of high-temperature components of fast breeder reactors (FBR). As a result of experimental study that simulated the fast breeder reactor vessel nearby the coolant surface, it was reported that long distance traveling of temperature distribution causes new type of thermal ratcheting, even if there is no primary stress. In this paper, we propose a simple screening criterion to prevent continuous accumulation of plastic strain derived from long distance traveling of temperature distribution. The major cause of this ratcheting mechanism is lack of residual stress that brings shakedown behavior at the center of yielding area. Because the residual stresses are derived from constraint against the elastic part, we focused on the distance from the center of yielding area to the elastic region. So, the proposed criterion restricts the axial length of the area with full-section yield state, which is the double of the above distance. We validated the proposed criterion based on finite element analyses using elastic-perfectly plastic material. As the result of the validation analyses, we confirmed that the accumulation of the plastic strain saturates before 2nd cycles in the cases that satisfy the proposed criterion, regardless of the shape of temperature distribution.

論文

非弾性解析による弾性追従係数の算定方法の検討

渡邊 壮太*; 久保 幸士*; 岡島 智史; 若井 隆純

日本機械学会M&M2017材料力学カンファレンス講演論文集(インターネット), p.581 - 585, 2017/10

高速炉の高温構造設計規格では、内圧が低く、熱応力が大きい高速炉の荷重条件の特徴を考慮し、設計者が応力緩和時の弾性追従の程度を特に意識することなく評価できるよう弾性追従係数を一意にq=3と定めた長期一次応力が低い場合の規定がある。非弾性解析を用いてより現実的な弾性追従係数を算定すれば、より合理的な設計が可能となる。そこで、設計への適用性に配慮して非弾性解析による弾性追従係数の算定方法を具体化し、非弾性解析結果から直接求めたクリープ損傷値と、弾性追従係数を用いたクリープ損傷値を比較し、評価手法の適用性を確認した。

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