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論文

Safety requirements expected for the prototype fast breeder reactor "Monju"

齋藤 伸三; 岡本 幸司*; 片岡 勲*; 杉山 憲一郎*; 村松 健*; 一宮 正和*; 近藤 悟; 与能本 泰介

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 10 Pages, 2015/05

Japan Atomic Energy Agency set up "Advisory Committee on Monju Safety Requirements" in order to establish original safety requirements expected to the prototype FBR "Monju" SFRs use sodium as coolant. It is not necessary to increase primary system pressure for power generation because of the high boiling point of sodium (883$$^{circ}$$C at atmospheric pressure) and sodium coolant liquid level can be maintained by guard vessels. It would therefore not result in core uncovering accident in early stage even in the case of a loss of primary coolant accident which could occur in LWRs, and hence forced pressure reduction and coolant injection are not necessary for SFRs. Liquid sodium can be used in the wide temperature range and be cooled by natural circulation. In addition, multiple accident management strategies by manual operation can be applied because temperature increase is generally gradual even under accident conditions and grace period (several to several ten hours) before significant core damage occurs can be achieved due to large heat capacity of sodium in systems. This paper summarizes the above mentioned safety requirements expected to Monju discussed by the committee.

論文

ナトリウム中に噴出する不活性ガス不足膨張衝突噴流の局所構造と対比するエロージョン試験法の開発

工藤 秀行*; 太田 淳己*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之; 栗原 成計

保全学, 11(4), p.90 - 97, 2013/01

ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器での伝熱管破損時には、高圧蒸気が低圧ナトリウム側へ漏えいし、高温,高腐食性の反応ジェットが隣接伝熱管の二次破損を引き起こす可能性がある。本研究の目的は、ナトリウム-水反応にかかわる安全評価コードの妥当性確認や改良するために必要なデータを取得する実験法の開発であり、可視化実験装置を用いた不足膨張衝突噴流の局所構造部でのナトリウム液滴エロージョン実験法について報告する。噴流構造に基づき最もエロージョンが進行すると推定されるナトリウム液滴エントレン領域でエロージョン現象が観察され、水実験での既往知見との相関を検討した。

論文

Visualization on the behavior of inert gas jets impinging on a single glass tube submerged in liquid sodium

工藤 秀行*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之; 栗原 成計

Journal of Nuclear Science and Technology, 50(1), p.72 - 79, 2013/01

 被引用回数:6 パーセンタイル:49.64(Nuclear Science & Technology)

高速炉蒸気発生器におけるナトリウム-水反応ジェットを正確にモデル化するためには、反応ジェットに随伴される液体ナトリウム液滴の粒径分布や平均径に関する情報が必要となる。本研究では、液体ナトリウム中に噴出させた化学反応を伴わないアルゴンガスジェット挙動が、ガラス管を介した内視鏡を用いて可視化され、ガスジェットに随伴されるバブリング領域で液体ナトリウム液滴の粒径分布や平均径が計測された。

論文

Void fraction distributions of inert gas jets across a single cylinder with non-wetting surface in liquid sodium

工藤 秀行*; Zhao, D.*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之; 栗原 成計

Journal of Nuclear Science and Technology, 49(12), p.1175 - 1185, 2012/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:20.56(Nuclear Science & Technology)

液体金属に対する濡れ性に乏しい構造材に沿ったボイド率挙動に関する研究が非常に少ない。本研究では、濡れ性や非濡れ性円筒周りの局所ボイド率分布が抵抗式プローブを用いて計測されたデータに基づき、非濡れ性単一円筒まわりのボイド率挙動が、衝突噴流,境界層流,分離流及び後流が現れるガスジェット-円筒系で定量的に議論される。

論文

Visualization on inert gas jets impinging to a glass tube submerged in liquid sodium

工藤 秀行*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之; 栗原 成計

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 6 Pages, 2012/07

ナトリウム-水反応時には、液体ナトリウム中に噴出するガスジェットの構造や液滴の大きさを把握することが重要である。本研究において、著者らは液体ナトリウム中に噴出させたガスジェットの可視化画像を撮影することに成功し、ガスジェットに随伴されるナトリウム液滴の生成過程について検討した。

論文

The Sodium oxidation reaction and suppression effect of sodium with suspended nanoparticles; Growth behavior of dendritic oxide during oxidation

西村 正弘; 永井 桂一; 小野島 貴光; 斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*

Journal of Nuclear Science and Technology, 49(1), p.71 - 77, 2012/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:36.4(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム燃焼の初めのステージの酸化は、反応の継続性の観点から重要である。この研究では、さらなる高速炉の安全性向上のためのナトリウム反応の知見に適用するために、詳細にナトリウムの反応を理解することを目的としている。

論文

Features of dendritic oxide during sodium combustion

西村 正弘; 上出 英樹; 大竹 志朗*; 杉山 憲一郎*

Journal of Nuclear Science and Technology, 48(12), p.1420 - 1427, 2011/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:20.43(Nuclear Science & Technology)

この研究の目的は、燃焼の継続性に重要な役割を果たす液体金属ナトリウムの酸化挙動を正確に理解することである。樹氷状酸化物の役割の理解は、ナトリウム燃焼のコントロール、たとえば、消火などに非常に有用である。それゆえ、この研究は高速炉の安全性向上に寄与するものである。

論文

Study on chemical reactivity control of sodium by suspended nanoparticles, 1

荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 永井 正彦*; 吉岡 直樹*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(12), p.1165 - 1170, 2010/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:63.66(Nuclear Science & Technology)

ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用したナトリウムの化学的活性度抑制に関する研究を行っている。ナノ粒子を分散させたナトリウムのナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用の理論計算を行い、原子間相互作用を推定し、基礎物性の試験により検証した。その結果、理論計算からナノ粒子が、ナトリウムと電気陰性度の差が大きい遷移金属の場合、ナトリウム原子とナノ粒子原子の原子間結合が、ナトリウム原子動詞どうしのそれよりも大きく、ナトリウム原子からナノ粒子原子へ電荷移行が生じることが推定された。これらの原子間相互作用の変化を検証するために、ナノ粒子分散ナトリウムの基礎物性の測定をナトリウムと比較して実施した。試験の結果から、表面張力は増大し、蒸発挙動は低下することがわかり、理論推定が検証された。これらの基礎物性の変化は、温度変化や相変化でも確認され、原子間相互作用が高温で維持されていることを示している。

論文

Study on chemical reactivity control of sodium by suspended nanoparticles, 2

荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 永井 正彦*; 吉岡 直樹*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(12), p.1171 - 1181, 2010/12

 被引用回数:10 パーセンタイル:60.62(Nuclear Science & Technology)

ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用したナトリウムの化学的活性度抑制に関する研究を行っている。これまでの研究から、ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用が増大し、基礎物性が変化し、反応抑制の可能性が見いだされた。本報では、反応熱量と反応速度を測定し、反応低減を確認した。さらに、反応挙動の観察から、反応抑制メカニズムを明らかにした。反応抑制効果のプラントで起こる現象への効果を推定、実験により検証した。また、ナノ粒子分散ナトリウムの冷却材としての適用性を検討した。その結果、反応熱量と反応速度が低減しており、ナノ粒子分散による反応抑制が確認された。反応現象の観察及び分析より、ナノ粒子分散ナトリウムとナトリウムの反応挙動の違いは、気相反応にあることがわかり、反応抑制メカニズムの要因は、蒸発速度の低下であることがわかった。ナトリウム-水反応と燃焼反応への反応低減の影響を推定した。燃焼温度の低下、燃焼の停止が観察され、プラントへの効果が試験により確認された。冷却材としての適用性は大きな課題はないことが明らかになった。

論文

Growing mechanism of dendritic oxide during sodium combustion

西村 正弘; 上出 英樹; 杉山 憲一郎*; 大竹 志朗*

Proceedings of 8th International Topical Meeting on Nuclear Thermal-Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-8) (CD-ROM), 11 Pages, 2010/10

この研究は、FRのナトリウム燃焼に対する安全のためにナトリウムの酸化反応挙動を詳細に理解することを目的としている。これまでの研究で、樹氷状の酸化物が、反応界面へのナトリウム供給というように燃焼反応に重要な役割を果たすことがわかっている。本報では、燃焼中の樹氷状酸化物の成長挙動観察結果に基づいて樹氷状酸化物を介した液体ナトリウムの供給機構モデルを提案した。このモデルでは、化学種に着目している。ナトリウム過酸化物の形成は、樹氷状酸化物の中にナトリウムの供給ルートを与える。一方、ナトリウム一酸化物の形成は、ナトリウムの供給をブロックする。化学種は、温度や酸素濃度といった反応場におけるギブスの自由エネルギーによって熱力学的に決定される。このモデルは、観察結果から得られた酸化反応挙動を説明することができる。

論文

Void fraction measurement of gas jet in sodium pool

西崎 雅則*; 鶴岡 北斗*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之

Proceedings of 17th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-17) (CD-ROM), 6 Pages, 2009/07

高速炉蒸気発生器ではナトリウム-水反応時の高温ラプチャにより伝熱管の二次破損が起こりうる。高温ラプチャ評価において、ナトリウム中のボイド分布を把握することが非常に重要となる。本実験では、直径3.5mmのノズルから流速17.3m/s$$sim$$129.8m/sのアルゴンガスを、温度443K及び293Kのナトリウム中へ噴出させ、ガスジェットの中心軸上で化学反応を伴わないボイド率分布を測定した。その結果、ノズルからの距離が減少するにつれてボイド率は増加し、ノズルからの距離が1mmの位置でボイド率が一定となることを確認した。水中よりナトリウム中のボイド率が低かったが、これはナトリウムの表面張力が水よりも大きいためと推定される。

論文

Oxidation behavior of liquid sodium droplet before combustion; Dependency of initial temperature and oxygen fraction

西村 正弘; 上出 英樹; 杉山 憲一郎*; 大竹 志朗*

Proceedings of 7th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-7) (CD-ROM), 12 Pages, 2008/10

高速増殖炉の冷却材に使用されている液体ナトリウムは冷却材として優れた熱的特性を有する反面、酸素や水との反応が活性である。事故時に想定されるこれらの反応に対して必要な安全対策がプラントでは施されているが、もんじゅのナトリウム漏えい事故などを背景に、特定の事故パターンによらずに反応現象の理解を深め、機構論的に解析することが社会的受容性の観点から求められている。また、反応現象の理解を深めることは、安全対策という観点以外に、事故,トラブルが起こってしまった場合に残存する未反応ナトリウムの取り扱いにおける判断根拠という観点からも、重要な研究テーマである。従来、液滴燃焼の酸化現象において柱状酸化物が生成した後に着火に至ることが観察されているが、十分な現象の理解はされていない。本報では、液滴状のナトリウムが燃焼する際の反応表面を反応雰囲気の酸素濃度や初期の予熱温度をパラメータとして表面の柱状生成物の生成過程に着目して観察した実験結果を報告する。

論文

Study on chemical reactivity control of liquid sodium; Development of nano-fluid and its property and applicability to FBR plant

斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 中野 晴之*; 緒方 寛*; 吉岡 直樹*

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 4 Pages, 2008/05

液体ナトリウムは熱伝導率などの特性に優れていることから高速炉の冷却材として使用されている。しかしながら、ナトリウムの水や酸素との反応性は非常に高い。そこで、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制する革新的な研究が望まれている。本研究の目的は液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属微粒子を分散させることにより、ナトリウムの化学的活性度を抑制することである。本研究のサブテーマとして、ナノ粒子の製造技術の開発,ナノ流体の反応抑制効果の評価及びナノ流体のFBRプラントへの適用性評価を挙げている。本論文ではそれぞれのサブテーマの進捗状況について述べる。

論文

Mixing behavior of argon jet with liquid sodium around a single rod; A Basic study on sodium-water reaction

鶴岡 北斗*; 田村 武士*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 6 Pages, 2008/05

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器では、伝熱管破損時に発生するナトリウム-水反応によって、さらに2次伝熱管破損が引き起こされるかどうかを評価することが重要である。このためJAEAでは機構論的解析コードSERAPHIMを開発している。本研究では、このSERAPHIMコードの検証及び高度化に資することを目的として、ナトリウム中ボイド率計測用のプローブを開発するとともに、アルゴンジェットを用いた単一伝熱管まわりのボイド率計測をさまざまな流速条件で実施した。その結果、水実験と異なるボイド分布となることを明らかにした。

論文

Study on chemical reactivity control of liquid sodium; Research program

斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 岡 伸樹*; 吉岡 直樹*

Proceedings of 15th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-15) (CD-ROM), 5 Pages, 2007/04

液体ナトリウムは熱伝導率や液体温度範囲が広いことから高速炉の冷却材として使われている。しかしながら、ナトリウムの水や酸素との反応性は非常に高い。そこで、ナトリウムの化学的活性度を抑制する革新的な技術の開発が望まれている。本研究の目的は液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属微粒子を分散させることにより、ナトリウムの化学的活性度を抑制することである。本研究のサブテーマはナノ粒子の製造,反応抑制効果の評価と高速炉への適用性評価である。本発表では研究計画について述べる。

論文

Entrainment of water around a single rod immersed in water pool with gas jet impingement, 2

田村 武士*; 曽我 和生*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之; 須田 一則

Proceedings of 15th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-15) (CD-ROM), 6 Pages, 2007/04

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器安全評価の観点から、ナトリウム-水反応に伴う伝熱管の二次破損現象を評価することが重要な課題となっており、SERAPHIMコードの開発が進められている。本研究では、SERAPHIMコードの検証を目的として、ナトリウムプール中でも使用可能なボイド率測定技術を開発するとともに、水プール中に設置した丸棒にアルゴンガスジェットを衝突させる実験を行い、丸棒周囲のボイド率を測定した。実験より、丸棒表面から数mm離れた位置ではボイド率が1より小さい値になることがわかり、過去の研究で得られたガスジェット中には水がエントレインされるという知見に一致することを確認した。ただし、ガス流速の高い条件では、ジェットが衝突する側のよどみ領域で水がエントレインされずにボイド率が1になることもわかった。以上の知見とともに、ナトリウムプール中でもボイド率を測定できる見通しを得た。

論文

Entrainment of water around a single rod immersed in water pool with gas jet impingement

曽我 和生*; 新倉 英人*; 杉山 憲一郎*; 奈良林 直*; 大島 宏之; 須田 一則

Proceedings of 14th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-14) (CD-ROM), 6 Pages, 2006/07

Na-水反応現象における水蒸気ジェットの挙動を理解する基礎研究として、水中に設置した単一水平円筒へArガスジェットを噴出させる可視化実験を実施し、化学反応がないジェット体系におけるガスジェットと周囲水との混合挙動を明らかにした。

報告書

シビアアクシデントの伝熱流動現象における素過程に関する研究; 高温溶融物ジェットの分散冷却過程, 原子力基礎研究 H10-027-2 (委託研究)

杉山 憲一郎*; 井口 健太郎*

JAERI-Tech 2002-010, 67 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-010.pdf:4.4MB

シビアアクシデントの際、溶融炉心は直径数センチメートルから数十センチメートルのジェット状態で、圧力容器下部ヘッドへ落下する可能性がある。仮に溶融炉心ジェットが十分分散されずに下部ヘッドへ堆積すれば、冷却性が悪く溶融炉心は圧力容器内に保持されない可能性がある。したがって、溶融炉心ジエットの分散機構は、溶融炉心ベッドの冷却性を評価するうえで、良く理解されなければならない。本実験研究の目的は、流体力学の分野で知られている周囲流体とジエットとの組織的運動(organized motion)に起因して、高温溶融物ジェット内に冷却材が捕らえ込まれることによって引き起こされる分散機構を確認することである。最初の実験は、直径25mmまでの溶融錫ジェットを用いて行われた。溶融錫の動粘性係数の値は溶融UO$$_{2}$$に比べて小さく、組織的運動による変形が容易に生じ、冷却材がジェット内に捕らえ込まれやすい。錫実験の結果を受けて、動粘性係数の値が溶融UO$$_{2}$$とほぼ同じである溶融銅ジェットの実験を行った。この実験においても冷却材捕捉型のジェットの分散が噴霧領域と呼ばれている高い周囲ウェーバー数域まで観察できた。本報で報告するジェットの分散機構により、150kg規模の溶融コリウム実験のジェット長さと8kg規模の鉛ビスマス実験のジェット長さとの見かけ上の相違が説明できる。また、高温溶融物ジェット中に効率よく冷却材が捕らえ込まれる機構は、ジェットの高い冷却性を保障する。

論文

シビアアクシデントに関する熱流動研究の最近の動向

成合 英樹*; 杉山 憲一郎*; 片岡 勲*; 三島 嘉一郎*; 菊地 義弘*; 門出 政則*; 杉本 純; 山野 憲洋; 日高 昭秀; 長坂 秀雄*; et al.

日本原子力学会誌, 39(9), p.739 - 752, 1997/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:13.16(Nuclear Science & Technology)

シビアアクシデント時の熱流動は、冷却材喪失事故(LOCA)などに見られる蒸気・水二相流現象に比べ、炉心の大幅な損傷や溶融が伴うことから、溶融炉心と冷却材の相互作用、溶融炉心とコンクリートの反応、水蒸気雰囲気中での核分裂生成物(FP,Fission Product)ガスやエアロゾル、可燃性ガス(水素)の一次系や格納容器内での挙動など、一般に多成分・多相流が関与するとともに、現象として極めて複雑・多様であることに大きな特徴がある。本稿では、重要なシビアアクシデント過程、及び主要な熱流動挙動について概説するとともに、圧力容器内の蒸気爆発、格納容器内の蒸気爆発、エアロゾル挙動、及び解析コードについて、熱流動の観点から詳述している。

口頭

Naプール中でArガスジェットが衝突する単一円筒周りの熱伝達特性とガスジェットの挙動

新倉 英人*; 曽我 和生*; 杉山 憲一郎*; 大島 宏之

no journal, , 

Na-水反応現象の詳細を把握するためには、Naと水蒸気の混合過程や発生した水素の円筒周りのボイド率分布等,ガスジェットの挙動に関する知見を得る必要がある。本研究では水プール中に設置した単一円筒へArガスジェットを衝突させる可視化実験を実施し、化学反応がない体系におけるガスジェットと周囲水との混合挙動を明らかにした。

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