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論文

Corrosion-erosion test of SS316L grain boundary engineering materials (GBEM) in lead bismuth flowing loop

斎藤 滋; 菊地 賢司*; 濱口 大; 手塚 正雄*; 宮城 雅徳*; 粉川 博之*; 渡辺 精一*

Journal of Nuclear Materials, 431(1-3), p.91 - 96, 2012/12

 被引用回数:9 パーセンタイル:62.49(Materials Science, Multidisciplinary)

鉛ビスマス材料試験ループ1号(JLBL-1)の第5期3600時間試験運転において、配管内部に取り付けられた試験片の腐食評価を行った。ループの運転温度は高温部が450$$^{circ}$$C、低温部が350$$^{circ}$$Cで温度差は100$$^{circ}$$Cである。試験片取り付け部の流量は約1L/min.である。試験片取り付け部は内径9mmのSS316L配管に溝を切り、10mm$$times$$10mm$$times$$1mmtの試験片を4枚取り付けた。試験片の材質はSS316L母材及びSS316L粒界制御(GBE)材である。運転終了後の試験片の光学顕微鏡による断面観察の結果、大きな減肉が観察された。SS316L母材,GBE材の減肉量は、それぞれ片面約390$$mu$$m及び190-270$$mu$$mであり、いずれも一様に減肉しつつも、局所的には平坦でなかった。SEM観察,EDX分析の結果、鉛ビスマスによる結晶粒界浸食は、母材,GBE材ともに断面のSEM観察上は数$$mu$$m程度であったが、鉛ビスマスの拡散領域深さは母材が20$$mu$$m程度、GBE材が10$$mu$$m以下で明らかな違いが見られた。これは、粒内への拡散深さは同じでも、GBE材では粒界の連続性を遮断する効果により粒界拡散を抑えた効果によると考えられる。いずれの試料でも酸化物層は観察されなかった。

論文

Effect of cold working on the corrosion resistance of JPCA stainless steel in flowing PB-Bi at 450$$^{circ}$$C

Rivai, A. K.*; 斎藤 滋; 手塚 正雄*; 加藤 千明; 菊地 賢司*

Journal of Nuclear Materials, 431(1-3), p.97 - 104, 2012/12

 被引用回数:9 パーセンタイル:62.49(Materials Science, Multidisciplinary)

鉛ビスマスを核破砕ターゲット及び冷却材として用いる加速器駆動核変換システム(ADS)の開発において、高性能な陽子ビーム窓材料の開発は重要な課題の一つである。本研究では、オーステナイトステンレス鋼(JPCA)に20%の冷間加工を加え、腐食挙動の観点から研究を行った。20%冷間加工JPCAの腐食試験は、材料試験ループ1号(JLBL-1)で行った。最高温度,温度差及び試験時間はそれぞれ450$$^{circ}$$C, 100$$^{circ}$$C, 約1L/min.及び1,000時間である。比較のため、冷間加工されていないJPCAの腐食試験も同じ条件で行った。結果は、JPCAの冷間加工の有無により腐食挙動に違いがあることを示した。冷間加工なしのJPCAでは、母材の構成元素が鉛ビスマス中に溶解することで形成されるフェライト層を通って鉛ビスマスが母材へ進入した。20%冷間加工JPCAでは、腐食は部分的で、局所的なピッティング腐食が形成された。腐食挙動の違いは、冷間加工が$$gamma$$-オーステナイト相から$$alpha$$'-マルテンサイト相への相変態を誘発するためであり、これがJPCAの流動鉛ビスマス中での耐食性に影響を与えることがわかった。

報告書

鉛ビスマス冷却加速器駆動システムを用いた核変換技術の成立性検討

辻本 和文; 西原 健司; 武井 早憲; 菅原 隆徳; 倉田 有司; 斎藤 滋; 大林 寛生; 佐々 敏信; 菊地 賢司*; 手塚 正雄; et al.

JAEA-Research 2010-012, 59 Pages, 2010/07

JAEA-Research-2010-012.pdf:2.0MB

加速器駆動システム(ADS)において核破砕ターゲット及び冷却材として用いられる鉛ビスマス共晶合金(LBE)に関する研究やビーム窓候補材料に対する照射試験等により新たに得られたデータや知見に基づき、ADS概念の再構築を行い、その成立性を検討した。炉心の核・熱設計では、燃料被覆管候補材である改良9Cr-1Mo鋼のLBE中での最高使用温度の目安値を550$$^{circ}$$Cと設定し、熱出力800MWを維持するのに必要なビーム電流を可能な限り低減する概念を構築した。この炉心概念について、1サイクル600日の運転期間中の燃料被覆管及びビーム窓の健全性評価を行った。その結果、温度及び腐食並びに未照射条件での構造強度について、高い成立性を有することを確認した。材料特性に対する照射影響に関しては、既存データからの類推等により実機ADSの使用条件下においては影響がそれほど大きくはないことを示したが、今後の実験データのさらなる拡充が必要であり、その結果によっては運転サイクルの短縮等の対処が必要となる。ADSの安全性に関する検討では、レベル1PSA(確率論的安全評価)及び基準外事象の過渡解析を行い、炉心損傷及び損傷に伴う再臨界の可能性が非常に低いことを明らかにした。

論文

Material development in lead-bismuth spallation target system

菊地 賢司; 斎藤 滋; 濱口 大; 手塚 正雄; 大林 寛生

Proceedings of 10th OECD/NEA Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation (CD-ROM), p.315 - 320, 2010/00

ADSビーム窓の耐久性を評価する研究開発を、陽子照射後試験、及び3つの鉛ビスマスループ試験により実施した。陽子照射実験の結果、オーステナイト鋼の延性は低下し、耐力は増加した。8-9Cr鋼は、他の研究所のデータによれば、照射量の増加とともに破壊モードが脆性に遷移した。疲労データは現在取得中である。いずれも組織観察の結果、母材中に多数のバブルの生成が確認された。ナノスケールの観察結果と機械的試験結果の関連は調査中である。腐食試験ループでの材料試験では、流動の影響を反映したと見られる腐食が観察された。この現象を理解するため、超音波ドップラー法による鉛ビスマス流動の可視化を試み、まず超音波を透過するために必要な材料表面の濡れ性付与技術を手に入れた。今後局所の流れ場の調査を行う予定である。熱流動試験ループでは、ビーム窓の熱伝達性能を知るため、大流量試験を行った。実験式を定式化した結果、ビーム窓の熱応力の大きさを評価可能になった。

論文

Research and development programme on ADS in JAEA

武井 早憲; 大内 伸夫; 佐々 敏信; 濱口 大; 菊地 賢司*; 倉田 有司; 西原 健司; 大林 寛生; 斎藤 滋; 菅原 隆徳; et al.

Proceedings of International Topical Meeting on Nuclear Research Applications and Utilization of Accelerators (CD-ROM), 11 Pages, 2009/05

原子力機構は長寿命放射性核種の核変換処理を目指した加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発を進めている。原子力機構が提案するADSは、超伝導陽子加速器で熱出力800MWの鉛ビスマス冷却タンク型未臨界炉を駆動するものである。将来のADSの設計研究としては、超伝導陽子加速器用クライオモジュールの製作と試験、現存する加速器の運転データに基づく陽子加速器の信頼性評価などを行っている。J-PARCプロジェクトの核変換実験施設計画については、マイナーアクチノイド燃料を取り扱うための実験装置を含めた設計研究を進めている。

論文

Research and development programme on ADS in JAEA

大井川 宏之; 西原 健司; 佐々 敏信; 辻本 和文; 菅原 隆徳; 岩永 宏平; 菊地 賢司; 倉田 有司; 武井 早憲; 斎藤 滋; et al.

Proceedings of 5th International Workshop on the Utilisation and Reliability of High Power Proton Accelerators (HPPA-5), p.387 - 399, 2008/04

原子力機構は長寿命放射性核種の核変換処理を目指した加速器駆動未臨界システム(ADS)の研究開発を進めている。原子力機構が提案するADSは、30MWの超伝導陽子加速器で熱出力800MWの鉛ビスマス冷却タンク型未臨界炉を駆動するものである。将来のADSの設計研究としては、燃料被覆管の最高温度低減とビーム窓の成立性検証を行っている。J-PARCプロジェクトの核変換実験施設計画については、マイナーアクチニド燃料を取り扱うための実験装置を含めた設計研究を進めている。ADSの研究開発を促進するためには研究開発ロードマップを国際的に共有することが必要である。核変換実験施設計画は、このような国際協力体制の下、基礎的で多様な実験を行うための基盤施設として重要な役割を担うことができる。

論文

Measurement of LBE flow velocity profile by UDVP

菊地 賢司; 武田 靖*; 大林 寛生*; 手塚 正雄*; 佐藤 博

Journal of Nuclear Materials, 356(1-3), p.273 - 279, 2006/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:52.29(Materials Science, Multidisciplinary)

核破砕ターゲットモデル反転流部の鉛ビスマス流を超音波で測定した。鉛ビスマス流の測定はこれまでに報告がなく、それは濡れ性が悪いことが原因であることが今回の実験で明らかになった。モデルループは同軸二重管の環状流が反転して管状流に移行するため、流れ場の遷移が非定常となる。鉛ビスマスの駆動は電磁ポンプ,流量測定は電磁流量計で行った。測定の結果、陽子ビームが当たる窓部では流れが淀み、熱伝達特性に影響を及ぼす局所流れの様子がわかった。

論文

Surface decoration of stainless steel for LBE flow measurement by ultrasonic techniques

菊地 賢司; 手塚 正雄*; 斎藤 滋; 大井川 宏之; 武田 靖*

Proceedings of 4th International Symposium on Ultrasonic Doppler Method for Fluid Mechanics and Fluid Engineering (ISUD-4), p.107 - 110, 2004/09

ADS概念の核破砕ターゲット及び冷却材である鉛ビスマス流速を超音波ドップラーで測定するために超音波の透過性を検証した。鋼をLBE中に浸すと、LBEは自由液面近傍のガス,液体、固体共存部を除けば鋼に接触する。この接触部を通じて超音波は鋼を介してLBEに伝達されると期待される。しかし、超音波のエコーはあまりに低く、測定できなかった。測定が成功したのは、鋼とLBE界面にあるコーテングを施した場合のみであった。LBE浸食試験の結果、鋼表面層には10から20$$mu$$mのLBEが付着して残存したことがわかった。これは、本コーテングの結果、LBE中での鋼の濡れ性が確保されたことを示す証拠である。その結果、超音波技術が適用可能になることを明らかにした。

口頭

ICPによる循環した鉛ビスマス中のFe, Cr, Niの分析

菊地 賢司; 斎藤 滋; 濱口 大; 手塚 正雄*

no journal, , 

溶融鉛ビスマスを高エネルギー陽子標的として利用する技術確立の一環として、循環運転を実施したループより、配管,試験片,フィルター,電磁ポンプ等から鉛ビスマスサンプル採取し、全量化学溶解後、ICPによりFe, Ni, Cr量を定量分析し、含有量の時間変化を調べた。その結果、Fe,Crは飽和溶解度に到達しているが、Niは飽和溶解度が数%と大きいため、まだ飽和濃度に到達していないと判断される。Fe, Cr多結晶材の析出した原因は、飽和濃度の差に起因したと評価された。

口頭

Analyses of Fe, Cr and Ni dissolved in the circulated Pb-Bi by ICP

菊地 賢司; 斎藤 滋; 濱口 大; 手塚 正雄

no journal, , 

鉛ビスマス材料腐食試験ループJLBL-1において、9000時間にわたり循環した試験中に鉛ビスマスをサンプリングしてきた。その場所は配管,電磁ポンプ,流量計,フィルター,試験管である。これまで、鉄クロムの合金析出が低温部において生じることを報告している。これは高温部で溶解した物質が質量移行したものと考えられる。そこで、鉛ビスマス中に溶解している鋼材元素をICPにより全量化学分析し、析出の因果関係を調査した結果、飽和濃度以上のCr, Feが検出された。

口頭

Wetting properties of Pb-Bi with aluminum, SS316L and cast iron

菊地 賢司; 手塚 正雄; 山村 力*

no journal, , 

鉛ビスマスとアルミニウム,ステンレス鋼,鋳鉄との濡れ性実験結果を述べる。条件は、真空雰囲気で500度までである。ヤングの式から定まる固体液体の接触角を測定した。濡れ性の順番はアルミニウム,ステンレス鋼,鋳鉄の順で悪かった。アルミニウムでは温度依存が認められ、高温ほど悪かった。濡れが悪いと腐食は起き難くなり、かつ伝熱特性は悪くなる。したがい、材料選択のパラメータになりうるものである。

口頭

鉛ビスマス試験ループによる材料腐食試験,3

濱口 大; 菊地 賢司; 斎藤 滋; 大井川 宏之; 手塚 正雄*

no journal, , 

原子力機構では、ADSの成立性検証及び実用化に向けたデータベース構築のため大強度陽子加速器計画の一環としてADSターゲット試験施設の建設を計画しているが、その設計に先立ち構造材料の健全性評価及び鉛ビスマス取扱い技術取得のための鉛ビスマス試験ループ(JLBL)を製作し、試験運転を行ってきた。試験ループ1号は現在までに3000時間試験運転を計3回にわたって行っており、各試験運転終了後には各部を分解点検し、その健全性評価を行っている。本発表ではJLBL-1第3期試験運転終了後の試験配管の腐食挙動について報告する。第3期運転では、ループ運転温度は高温部が450$$^{circ}$$C,低温部が350$$^{circ}$$Cであり、第1期及び第2期運転時(温度差50$$^{circ}$$C)に比べて温度差が100$$^{circ}$$Cと大きくなっている。試験配管は内径9.8mm,長さ40cmの316SS製管材で、冷間加工後の内面は酸による洗浄状態である。また、試験配管の両端は内径15mmの継ぎ手構造となっている。第3期運転終了後の試験配管では、高温部(450$$^{circ}$$C)における減肉量が最大500$$mu$$mに達しており、第1期及び第2期に比べて遙かに大きなものであったが、観察された腐食形態はこれまでと同様に鉛ビスマスの粒界浸食とそれに伴う粒の剥離であった。しかし、今回は新たにNiとPb又はBiを主体とした析出物が、試験配管に残留付着した鉛ビスマス表面に確認された。このような析出物は第1期及び第2期運転では見られていない。これらの析出物に関しては今後TEM等を用いた詳しい構造解析を行う予定である。

口頭

音響伝播管を用いた高温液体金属流動場計測用超音波トランスデューサの開発,1; 超音波伝播特性の数値解析

大林 寛生; 菊地 賢司; 手塚 正雄

no journal, , 

UVPは流体の透明性を問わず、瞬時速度分布の計測が可能であることから有効な速度場計測手法としてさまざまな液体金属流動場計測に適用されているが、高温流体の計測には超音波トランスデューサの耐熱性をはじめとした課題がある。本研究では、UVPの高温対応に向け音響ガイドを用いたトランスデューサシステムを提案するとともに、数値計算によりガイド部に用いる材質の評価を行った。

口頭

新型酸素プローブの流動鉛ビスマス中における出力試験

菊地 賢司; 手塚 正雄*; 斎藤 滋; 鬼澤 達也*; 阿部 勇治*; 三浦 邦明*

no journal, , 

鉛ビスマス中の酸素濃度を測定する固体電解質酸素計を開発した。従来センサーとの違いは、酸化鉄を参照極としたこと、カセット型で配管の一部として取り付け可能な構造としたこと、測定温度を400$$^{circ}$$C以下としたことである。原子力機構の鉛ビスマス腐食ループJLBL-1に設置し、高純度アルゴンガスをカバーガスとして、約8000時間の出力試験を行った。その結果、酸素濃度は1E-5から1E-2wppmと評価された。

口頭

SUS316L粒界制御材の鉛ビスマス流動ループ中における腐食試験

斎藤 滋; 菊地 賢司; 濱口 大; 手塚 正雄; 宮城 雅徳*; 粉川 博之*

no journal, , 

鉛ビスマス材料試験ループ1号(JLBL-1)の第5期3600時間試験運転において、配管内部に取り付けられた試験片の腐食評価を行った。ループの運転温度は高温部が450$$^{circ}$$C、低温部が350$$^{circ}$$Cで温度差は100$$^{circ}$$Cである。試験片取り付け部の流量は約1 L/min.である。試験片取り付け部は内径9mmのSS316L配管に溝を切り、10mm$$times$$10mm$$times$$1mmtの試験片を4枚取り付けた。試験片の材質はSS316L母材及びSS316L粒界制御(GBE)材である。運転終了後の試験片の光学顕微鏡による断面観察の結果、大きな減肉が観察された。SS316L母材,GBE材の減肉量は、それぞれ片面約390$$mu$$m及び190$$sim$$270$$mu$$mであり、いずれも一様に減肉しつつも、局所的には平坦でなかった。SEM観察/EDX分析の結果、鉛ビスマスによる結晶粒界浸食は、母材,GBE材ともに断面のSEM観察上は数$$mu$$m程度であったが、鉛ビスマスの拡散領域深さは母材が20$$mu$$m程度、GBE材が10$$mu$$m以下で明らかな違いが見られた。これは、粒内への拡散深さは同じでも、GBE材では粒界の連続性を遮断する効果により粒界拡散を抑えた効果によると考えられる。いずれの試料でも酸化物層は観察されなかった。

口頭

Lesson on LBE control techniques taken from JLBL1 loop

菊地 賢司; 斎藤 滋; 濱口 大; 手塚 正雄

no journal, , 

JLBL-1の運転時間は18000時間を超えた。運転の目的は、J-PARC施設でLBEの核破砕標的を設計するためのデータ取得にあった。選んだ材料はオーステナイト鋼で、その理由は電磁ポンプを使用するに際し、非磁性体を必要としたためである。ループ構成材料はおもにSS316とした。これは閉ループ内における質量の移行情報を得るためである。LBEの試験温度差は50, 100$$^{circ}$$Cとし、高温部における流速は毎秒1mである。LBE中酸素濃度の積極的制御はせず、ArガスでLBEを外気から遮蔽した。酸素濃度計による測定はあとで実施した。経験した事象は、ポンプの目詰まり、高温部から低温部への質量移行、溶解成分の析出、LBEの総入れ替え、電磁流量計の不安定性解消を目指す新型の開発である。このループで経験した重要なことは狭隘部で生じたエロージョンであった。これらの経験は、実際の設計に教訓として生かされるであろう。

口頭

鉛ビスマス試験ループによる材料腐食試験,4

斎藤 滋; 濱口 大; 手塚 正雄; 山木 恵理子*; 菊地 賢司*

no journal, , 

鉛ビスマス材料試験ループ1号(JLBL-1)第4期3000時間及び第5期3000時間試験運転終了後のF82H配管試験体の鉛ビスマス流動下での腐食挙動について報告する。ループの運転温度は、第4期が高温部400$$^{circ}$$C,低温部350$$^{circ}$$Cで温度差は50$$^{circ}$$C、第5期は高温部450$$^{circ}$$C,低温部350$$^{circ}$$Cで温度差は100$$^{circ}$$Cであった。電磁ポンプの出力は約5L/min,配管試験体部の流量は約1.0m/sであった。配管試験体は内径9mm,長さ300mmのF82H製配管である。運転終了後の試験片の光学顕微鏡による断面観察の結果、いずれの試料も部分的に減肉が観察された。第4期試料の最大減肉量は、平行部が約15$$mu$$m,拡大部が約30$$mu$$mであった。第5期試料の最大減肉量は、平行部が約50$$mu$$m,拡大部が100$$mu$$m以上であった。第2期及び第3期のJPCA配管試験体の結果と比較すると、F82Hの減肉量は大きく低下するが、最高温度が同じであれば温度差が大きい方の減肉量が大きくなる傾向はJPCA配管試験体と同様の結果であった。また、SEM観察/EDX分析の結果、表面に酸化物層は観察されなかった。

口頭

Corrosion behavior of high Cr-ODS steels in flowing lead-bismuth at JLBL-1

Rivai, A. K.; 斎藤 滋; 加藤 千明; 手塚 正雄; 菊地 賢司*; 木村 晃彦*

no journal, , 

Corrosion test of high chromium-ODS (oxide dispersion strengthened) steels with and without containing aluminum was carried in flowing lead-bismuth at JLBL-1. Investigation after 1000 hrs run at 450 $$^{circ}$$C showed no severe penetration of lead-bismuth into all parent material. Moreover, a formation of very thin oxide layer on their surfaces was observed.

口頭

Compatibility of cold work-treated JPCA steel and its TIG welding with flowing Pb-Bi

Rivai, A. K.; 斎藤 滋; 加藤 千明; 手塚 正雄; 菊地 賢司*

no journal, , 

Corrosion test of cold work-treated JPCA steel and its TIG (tungsten inert gas) welding was carried in flowing Pb-Bi at 450$$^{circ}$$C for 1000 hours. As comparison, JPCA without cold work treatment was also tested. The results revealed that cold work treatment limited a dissolution attack from flowing Pb-Bi. At TIG weld part superficial erosion was found with no cracks or damages occurred.

口頭

Effect of cold working on the corrosion resistance of JPCA steel in flowing Pb-Bi at 450$$^{circ}$$C

Rivai, A. K.; 斎藤 滋; 大林 寛生; 手塚 正雄*; 加藤 千明; 菊地 賢司*

no journal, , 

In the present study, we applied 20% cold work treatment to the JPCA austenitic steel and investigated it from the corrosion behavior viewpoint. The cold worked-JPCA was tested in JLBL-1 corrosion test apparatus with 450$$^{circ}$$C of Pb-Bi for 1000 hours. As for comparison analysis, JPCA steel without cold working was also tested in the same time and condition. The results showed that Pb-Bi penetrated into the matrix of JPCA steel without cold working through a ferrite layer which was formed because of nickel and chromium dissolution. As for the cold worked-JPCA, dissolution attack occurred partially and formed localized superficial pitting corrosion. Therefore, the cold working circumscribed a dissolution attack by Pb-Bi. It was found that the different corrosion behavior occurred because the cold working induced structure transformation of the austenitic. By using MFM (Magnetic Force Microscope), magnetization of the cold worked-JPCA was revealed.

口頭

核破砕ターゲット冷却材の流動計測技術開発

大林 寛生; 手塚 正雄*

no journal, , 

原子力機構で開発研究が実施されている加速器駆動システム(ADS)では、冷却材及び核破砕材料として溶融鉛ビスマス(LBE)の導入が検討されている。これらの中で、LBEが鋼材へ及ぼす腐食問題の解決,伝熱挙動の把握が課題である。両課題ともにLBEの流動と深く関連するため、実験計測によるLBE中の速度場データの拡充が望まれるが、高温での使用,不透明,低粘度という物性を持つ液体重金属流動場の実験計測は非常に難しい。このため本発表では、超音波流速分布測定法(UVP)の液体金属流動計測への適用性、及び、UVPに基づき計測線上の瞬時3方向速度成分を時系列で取得することを実現した計測システムについて報告する。開発したシステムは、温度条件150$$^{circ}$$CにおけるLBE流動場に適用され、空間分解能1mm以下、時間分解能50msecによる3次元速度ベクトル分布計測に成功した。

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