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論文

Experimental study on aerosol transport behavior in multiple cells with expandable connecting pipe for safety assessment of sodium-cooled fast reactors

梅田 良太; 近藤 俊樹; 菊地 晋; 栗原 成計

Proceedings of 28th International Conference on Nuclear Engineering; Nuclear Energy the Future Zero Carbon Power (ICONE 28) (Internet), 9 Pages, 2021/08

本研究では、セル間のエアロゾル移行挙動に関する基本的な情報を得るために、複数のセルや連通管を有する試験装置(MET)を製作し、予備的な実験を行った。予備実験では、水平または垂直に接続された2つのセルによる試験体系において、模擬粒子を使用し、その移行挙動を測定した。その結果、画像や沈降データなどの結果から、水平セルまたは垂直セルに移動する模擬粒子の挙動を確認することができた。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管のセルフウェステージ現象解明実験

梅田 良太; 下山 一仁; 栗原 成計

日本原子力学会和文論文誌, 19(4), p.234 - 244, 2020/12

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器では、伝熱管を介してナトリウムと水との熱交換が行われるため、何らかの原因により伝熱管が損傷した場合には、Na中に高圧の水/蒸気が漏えいし、Naと水との発熱反応により特有の高温・高アルカリ環境が形成され、隣接伝熱管が損耗する恐れがある。本報ではNa-水反応の起因事象となるセルフウェステージ現象のメカニズムを解明することを目的に、伝熱管の初期欠陥(微細円孔型と疲労き裂型の貫通欠陥)を模擬した試験体を用いて、セルフウェステージが継続的に進展する条件下で実験を実施した結果について述べる。セルフウェステージ率に及ぼす初期貫通欠陥形状(微細円孔,疲労き裂)による影響は有意ではなく、セルフプラグ現象のメカニズムとして、Na酸化物が介在して、セルフウェステージの進行を阻害するものと推察された。本実験及び既往実験で得られたセルフウェステージ率より、従来の相関式では陽に表れなかった初期のNa温度の影響が明確に現れ、この傾向を基に初期のNa温度を考慮した新相関式を導出した。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管周囲に形成されるナトリウム-水反応環境を考慮したターゲットウェステージ評価

栗原 成計; 梅田 良太; 下山 一仁; 菊地 晋

日本機械学会論文集(インターネット), 84(859), p.17-00382_1 - 17-00382_11, 2018/03

ナトリウム(Na)冷却型高速炉(SFR)の蒸気発生器(SG)で想定される伝熱管破損事象では、Na中への水漏えいにより反応ジェットが形成され(Na-水反応)、そのエロージョン・コロージョン作用により隣接伝熱管(ターゲット伝熱管)に局所的な減肉が生じる(ターゲットウェステージ)。われわれは、反応ジェットに随伴される液滴衝突エロージョン(LDI)と、Na-水反応時の主要生成物である高温の水酸化ナトリウム(NaOH)及び酸化ナトリウム(Na$$_{2}$$O)による流れを伴うNa-Fe複合酸化型腐食(COCF)に起因してターゲットウェステージが生じると考え、伝熱管周囲のウェステージ環境で生成されるNaOH単体環境及びNaOH-Na$$_{2}$$O混合環境においてCOCF実験を実施して定式化した。本報では、垂直管群を模擬した実機SG条件でのNa-水反応試験(総合検証試験)を実施し、各ターゲット伝熱管を対象に新たなウェステージ相関式の適用性を定量評価するとともに、貫通破損したターゲット伝熱管を対象に注水停止後のブローダウン過程を含めた時間におけるウェステージの時間進行を定性的に検討した。

報告書

高速炉蒸気発生器伝熱管のターゲットウェステージ現象解明実験; 流れを伴う高温水酸化ナトリウム環境での腐食実験

梅田 良太; 下山 一仁; 栗原 成計

JAEA-Technology 2017-018, 70 Pages, 2017/08

JAEA-Technology-2017-018.pdf:9.67MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器では、低圧のナトリウムから伝熱管を介して高圧の水/蒸気に熱交換される。その伝熱管が破損して水蒸気が漏えいした場合、発熱反応を引き起こし、ナトリウム中に反応ジェットが形成される(ナトリウム-水反応)。反応ジェットは高温・高圧噴流で高アルカリ環境を形成し、この環境に曝された隣接伝熱管は、局所的な減肉により損傷を受け(ターゲットウェステージ)、SG内での影響範囲が拡大する可能性がある。本報告書では、ターゲットウェステージ現象解明を目的として、ナトリウム-水反応時の主要な反応生成物である高温の水酸化ナトリウムと副次的な生成物である酸化ナトリウム(試料)を用いて、ターゲットウェステージの環境因子(試料温度、衝突速度、試料組成割合等)を分離評価できる実験装置及び実験手法を開発した。また、開発した実験装置を用いて流れを伴う高温水酸化ナトリウム及び酸化ナトリウム環境下における腐食実験を実施し、腐食特性に及ぼすターゲットウェステージの環境因子の影響を定量的に評価するとともに、平均腐食速度とウェステージ環境因子との関係を定式化した。

報告書

高クロム鋼伝熱管の急速加熱ラプチャ実験

梅田 良太; 栗原 成計; 下山 一仁

JAEA-Technology 2016-030, 50 Pages, 2016/12

JAEA-Technology-2016-030.pdf:5.22MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管が貫通破損した場合、高温・高速かつ高アルカリ雰囲気の反応ジェットが生成される(ナトリウム-水反応)。反応ジェットが隣接する伝熱管全体を覆うと、伝熱管の高温化によって機械的強度が低下し、伝熱管内圧で膨出破損に至ることがある(高温ラプチャ)。高温ラプチャの評価では、伝熱管温度に相当する伝熱管材料のクリープ強度を材料強度の基準値(破損クライテリア)としており、内圧による管壁のフープ応力と当該破損クライテリアを比較することで破損を判断する。このため、高温ラプチャ現象を模擬した伝熱管破損実験から得られる知見を踏まえて、破損クライテリアの妥当性を確認することが非常に重要である。本報告書では、原子力機構が所有する伝熱管破損模擬試験装置(TRUST-2)を用いて、高クロム系鋼の細径伝熱管の単管試験体及び密着型の二重試験体を対象に、最高1500Kまでの超高温条件で内圧加圧型の急速加熱伝熱管ラプチャ実験を行い、破損形態や破損強度特性などを明らかにするとともに、破損クライテリアの妥当性を検討した。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管周囲に形成されるナトリウム-水反応環境を考慮した隣接管ウェステージ評価; 高温水酸化ナトリウムを用いた流れを伴う複合酸化型腐食実験

栗原 成計; 梅田 良太; 菊地 晋; 下山 一仁; 大島 宏之

日本原子力学会和文論文誌, 14(4), p.235 - 248, 2015/11

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器でナトリウム(Na)-水反応が生じると、水漏えい位置に隣接する健全な伝熱管は反応ジェットの影響によって局所的な損耗(ターゲットウェステージ)を受け、破損が伝播して影響範囲が拡大する可能性がある。従来の研究では、実機SGの伝熱管候補材料を対象に、実機SG運転条件を模擬した多くのターゲットウェステージ実験が実施され、反応ジェットを形成するマクロな境界因子でウェステージ速度が評価されてきた。しかしながら、高温・高圧運転が指向される異なるSG型式に対して同様のアプローチで安全評価を行うには、設計上の選択肢に対して汎用性に欠け、設計時の最適化に適さない。本報では、Na-水反応時の主たる反応生成物である、高温のNaOH及びNa$$_{2}$$Oによる実機SG伝熱管材料の流れを伴う複合酸化型腐食挙動を把握することを目的として、ウェステージ環境に影響を及ぼす局所因子を分離可能な実験装置及び手法を開発し、減肉速度に及ぼす試料/供試体(伝熱管材料)温度及び試料衝突速度の影響を定量的に検討した結果について述べる。さらに、実験後供試体の金属組織観察や化学分析に基づき、腐食環境を推察した。

論文

高速炉蒸気発生器伝熱管周りに形成されるナトリウム-水反応ジェットの熱伝達特性

栗原 成計; 梅田 良太; 下山 一仁; 阿部 雄太; 菊地 晋; 大島 宏之

日本機械学会論文集,B, 79(808), p.2640 - 2644, 2013/12

ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG)では、伝熱管損傷時には隣接する伝熱管が高温の反応ジェットに覆われ、伝熱管材料の機械的強度が低下し、内圧により破損する可能性がある(高温ラプチャ)。高温ラプチャ評価では伝熱管壁温度(に相当する伝熱管壁応力)の予測精度が非常に重要であり、主要影響因子である反応ジェット-隣接(ターゲット)伝熱管熱伝達率の定量評価が不可欠となる。本報では、実機SGの運転条件を模擬したNa-水反応基礎実験を実施し、反応ジェットの熱影響を受けるターゲット伝熱管周囲で熱伝達率-ボイド信号データを計測し、ターゲット伝熱管周囲の熱的環境及び既往伝熱相関式の適用性を検討した結果について報告する。

論文

Cooperation on impingement wastage experiment of Mod. 9Cr-1Mo steel using SWAT-1R sodium-water reaction test facility

Beauchamp, F.*; 西村 正弘; 梅田 良太; Allou, A.*

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Safe Technologies and Sustainable Scenarios (FR-13) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2013/03

高速炉SG伝熱管の候補材である9Cr-1Moのウェステージ率測定を原子力機構のSWAT-1R試験施設を使用して実施した。この研究は、JAEA-CEAの国際協力のもと実施されたものである。SWAT-1R試験の概要とウェステージ試験を通して得られた経験や、主要な結果について議論する。

論文

高速実用炉蒸気発生器におけるナトリウム-水反応時の隣接伝熱管内熱伝達特性

栗原 成計; 梅田 良太; 柳沢 秀樹*; 大島 宏之

第16回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.9 - 10, 2011/06

高速炉蒸気発生器(SG)における伝熱管破損時には、高圧の水/蒸気がナトリウム(Na)中へ漏えいし、伝熱管束部にはNaと水との発熱反応によって高温・高速・腐食性の反応ジェットが形成される(Na-水反応)。この高温反応ジェットの熱的影響を受ける隣接伝熱管は、機械的強度の低下で内圧破裂(高温ラプチャ)し、破損伝播の可能性が懸念される。本研究では、隣接伝熱管への熱移行解析評価手法構築に不可欠となる伝熱管内(水側)の詳細な伝熱特性を把握することを目的として、高温ラプチャ評価上安全裕度が最も小さいとされるSG部分負荷運転条件である低質量流量・高サブクール水を通水した伝熱管に対し、反応ジェットを模擬した急速加熱試験を行った。伝熱管内表面温度及び熱流束を正確に推定し、それらの時間変化より管内の流動状況や伝熱特性を検討した。さらに、水側評価で用いる汎用ブローダウン解析コードRELAP5に適用されている伝熱相関式を改良した結果について報告する。

論文

高速炉蒸気発生器における伝熱管ウェステージに関する高温NaOH衝突実験

栗原 成計; 大島 宏之; 下山 一仁; 梅田 良太

日本機械学会論文集,B, 77(776), p.964 - 968, 2011/04

高速炉蒸気発生器(SG)では、万一伝熱管が破損した場合、Na中に高温,浸食性の強い反応ジェットが形成される(Na-水反応)。この反応ジェットに曝される隣接伝熱管は局所的な減肉作用により損傷し、その伝熱管損傷範囲が拡大する可能性がある。JSFRのSGでは、経済性向上のため高温・高圧運転や稠密な伝熱管配列が検討されており、原子力機構ではその合理的安全設計に向けて汎用かつ高精度予測評価を可能とする機構論的Na-水反応現象解析評価手法を開発している。これまで、ウェステージによる隣接伝熱管破損の可能性は、Na-水反応時における計測性や予測解析が困難であることから、反応ジェットの影響をマクロ的境界因子で整理してきた。機構論的評価では、ウェステージ面の温度や近傍での流体流速など局所量による影響を定量評価した現象把握が必要となる。本研究では、ウェステージ現象解明を目的として、主要な反応生成物である高温のNaOHを伝熱管材料に衝突させ、ウェステージ環境因子の影響を分離評価できる実験手法を開発した。本実験手法によりNaOH中静的腐食実験及びNaOH衝突実験で把握した減肉速度に対する温度や速度の依存性について報告する。

口頭

高温NaOH衝突による高速炉蒸気発生器伝熱管材料のエロージョン特性

栗原 成計; 下山 一仁; 梅田 良太; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却実用高速炉の蒸気発生器伝熱管破損時に発生するナトリウム-水反応による影響範囲の予測評価は安全上重要である。本報では、隣接伝熱管のウェステージ機構解明を目的として、主要なナトリウム-水反応生成物である水酸化ナトリウムを高温状態で伝熱管材料に衝突させるエロージョン試験を実施し、エロージョン速度に及ぼす温度及び速度の依存性を検討した結果について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管ウェステージに関する高温NaOH衝突実験

栗原 成計; 大島 宏之; 下山 一仁; 梅田 良太

no journal, , 

高速炉蒸気発生器(SG)で万一伝熱管が破損した場合、ナトリウム中に高温,浸食性の反応ジェットが形成され、隣接伝熱管は局所的な減肉作用(ウェステージ)により影響範囲が拡大する可能性がある。原子力機構ではその合理的安全設計に向けて汎用かつ高精度予測評価を可能とする機構論的Na-水反応現象解析評価手法を開発している。本研究では、SGにおける隣接伝熱管のウェステージ現象解明を目的として、Na-水反応時の主要反応生成物である高温水酸化ナトリウム(NaOH)を伝熱管材料に衝突させ、ウェステージ環境因子を独立に評価可能な実験手法を開発した。本装置を用いて、伝熱管材料の減肉速度に対する温度や速度の依存性を明らかにした。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,6; 高温NaOH噴射基礎実験による減肉評価

栗原 成計; 梅田 良太; 菊地 晋; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器に対する安全評価では、ナトリウム(Na)-水反応による影響範囲の予測が重要であり、機構論に基づく汎用的な解析評価手法が開発されている。Na-水反応では、Na中に高速・高温・高アルカリ環境の反応場(反応ジェット)が形成され、隣接伝熱管はエロージョン・コロージョン作用で局所的な減肉損耗を受ける(ウェステージ)。本報では、ウェステージ機構解明の一環として、高温の水酸化ナトリウム(NaOH)環境における伝熱管材料の静的腐食実験を実施し、平均腐食速度に及ぼすNaOH/伝熱管材料温度の依存性について検討した結果を報告する。

口頭

高温NaOHを用いた噴射衝突実験手法の開発

梅田 良太; 下山 一仁; 栗原 成計

no journal, , 

高速増殖炉(FBRs)の蒸気発生器(SG)内において、何らかの原因により伝熱管が破損した場合、伝熱管内を流れる高圧の水/蒸気が低圧のナトリウム(Na)中へ漏えいする。Naと水との化学反応により、高温・高圧で高アルカリの浸食性・腐食性の強い反応ジェットが生成される(Na-水反応)。この反応ジェットに曝されると、隣接伝熱管は局所的な減肉作用により損傷し、SG内での影響範囲が拡大する可能性がある(ウェステージ)。原子力機構では、FBRSGの経済性並びに安全性・信頼性向上のため設計を行っており、それには、Na-水反応の現象解明及び現象論に基づいた解析評価手法の開発が不可欠である。従来のウェステージ損傷は、反応ジェットを形成する周囲の起因因子で評価されてきた。そこで、より正確な評価を行うためにウェステージされる環境に着目して局所的な影響因子で新たな評価手法の開発を行っている。本研究では、隣接伝熱管のウェステージ現象解明を目的として、Na-水反応時の主要反応生成物である高温の水酸化ナトリウム(NaOH)を伝熱管材料に衝突させ、ウェステージ環境因子の影響を分離評価可能な実験手法の開発について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,12; 高温NaOH噴射基礎実験による減肉評価,2

栗原 成計; 菊地 晋; 梅田 良太; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器における隣接伝熱管ウェステージの機構解明を目的として、高温の水酸化ナトリウム/酸化ナトリウム環境下での噴射基礎実験を実施し、減肉速度に及ぼす水酸化ナトリウム/伝熱管材料温度及び衝突速度の依存性について検討した結果を報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器伝熱管のウェステージ挙動に及ぼす高温NaOH流動加速型腐食の影響

栗原 成計; 菊地 晋; 梅田 良太; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム(Na)冷却型高速炉(SFR)の蒸気発生器(SG)で想定される伝熱管損傷による水漏えい事故時には、Na中に反応ジェットが形成され、隣接伝熱管はエロージョンやコロージョンの重畳作用により局所的な減肉様相を呈し(ウェステージ)、破損伝播に至ることが懸念される(Na-水反応)。原子力機構では、Na-水反応時のウェステージ機構解明実験の一環として、主要生成物である高温の水酸化ナトリウム(NaOH)/酸化ナトリウム(Na$$_{2}$$O)環境における流れ加速型腐食(FAC)の定量化を目指している。本報告では、高温の試料(NaOH及びNaOH/Na$$_{2}$$O環境)における静的腐食実験を行い、腐食速度に対する試料温度及び試料組成(Na$$_{2}$$O混合)の影響を評価するとともに、高温のNaOH/Na$$_{2}$$O環境における流れ場を模擬した噴射基礎実験を実施し、減肉速度に及ぼす試料/供試体(伝熱管材料)温度及び試料衝突速度の依存性を検討した結果について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,19; 高温NaOH噴射基礎実験による減肉評価,3

栗原 成計; 菊地 晋; 梅田 良太; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器における隣接伝熱管ウェステージの機構解明を目的として、高温の水酸化ナトリウム/酸化ナトリウム環境下での噴射基礎実験を実施し、流れ加速型腐食に対する温度・速度の影響を定量評価するとともに、液滴衝撃エロージョン速度を重畳させたウェステージ相関式について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,24; セルフウェステージ現象解明実験手法の開発

阿部 雄太; 下山 一仁; 梅田 良太; 菊地 晋; 栗原 成計; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉(SFR)蒸気発生器(SG)の伝熱管に生じた貫通亀裂から水/蒸気が漏えいすると、ナトリウム(Na)と水との化学反応に伴い伝熱管外表面より腐食が進行する(セルフウェステージ)。セルフウェステージが継続すると、貫通亀裂での腐食進行が内壁に達し水/蒸気の漏えい量が増大するため、プラントが停止するとともに伝熱管群に大きな損傷を与える。このため、SFRの安全評価を目的に、多次元Na-水反応解析コードを用いたセルフウェステージ解析手法を開発している。本研究では、セルフウェステージ解析手法の基本検証に必要なデータを取得するため、セルフウェステージ試験装置(SWAT-2R)を新たに製作し、リーク孔を加工した実機伝熱管を用いた実験手法について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,25; Na側熱伝達計測基礎実験による反応ジェット-伝熱管熱伝達率の評価,1

栗原 成計; 梅田 良太; 下山 一仁; 阿部 雄太; 菊地 晋; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器伝熱管破損時における隣接伝熱管高温ラプチャ現象解明を目的として、主要影響因子である反応ジェット-伝熱管間の熱伝達率データを基礎実験により取得した。

口頭

高速炉蒸気発生器伝熱管周りに形成されるナトリウム-水反応ジェットの熱伝達特性

栗原 成計; 梅田 良太; 下山 一仁; 阿部 雄太; 菊地 晋; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG)では、伝熱管を介してNaと水との熱交換が行われるため、伝熱管損傷時には、Na中に高圧の水/蒸気が漏えいし、Naと水との発熱反応(Na-水反応)により特有の高温・高アルカリ環境(反応ジェット)が形成される。水漏えい規模によっては、隣接する伝熱管が高温の反応ジェットに覆われ、伝熱管材料の機械的強度が低下し、内圧により破損する可能性がある(高温ラプチャ)。高温ラプチャ評価では伝熱管壁温度(に相当する伝熱管壁応力)の予測精度が非常に重要であり、主要影響因子である反応ジェット-隣接伝熱管熱伝達率の定量評価が不可欠となる。実機SGの運転条件を模擬したNa-水反応基礎実験を実施し、Na側熱伝達率とボイド信号の応答性を計測することで、ターゲット伝熱管周りの熱的環境を推察できること、適切な外表面熱流束を与えることで、浜田らの簡易二相伝熱モデルが高温高圧の運転条件でも適用可能であることを確認した。

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