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上澤 伸一郎; 柴田 光彦; 吉田 啓之
混相流, 37(1), p.55 - 64, 2023/03
東京電力株式会社福島第一原子力発電所の廃炉工程において、放射性飛散微粒子の発生が指摘されており、その閉じ込め管理が課題となっている。エアロゾル粒子の捕集にはHigh Efficiency Particulate Air (HEPA)フィルタが用いられるが、HEPAフィルタの負荷を軽減するためにスクラバなどの前処理設備の適用が考えられる。スクラバでは、気液界面を介して気体から液体へ移動することによりエアロゾル粒子を除去する。捕集効率は気液界面積に依存するため、高い効率を得るためには気泡の微細化が必要となる。そこで本研究では、ベンチュリ管における気泡微細化現象に着目した新しい粒子捕集技術を開発し、その有用性を確認するため捕集性能評価試験を行った。その結果、ベンチュリ管を用いることにより、捕集性能が直管と比較して1,000倍以上向上し、その捕集効率がHEPAフィルタと同程度であることを確認した。また、関東ローム、SUS、オイルなどの様々な粒子に対して十分な捕集性能があることも確認できた。一方で、液体流量の増加とともに捕集効率は増加したものの、気相流量の増加とともに減少するなど、捕集効率が液相流量や気相流量に依存することが明らかとなった。この原因としては、流量により気泡微細化が活発もしくは抑制されるためと考えられる。本試験においても、気泡微細化現象のパラメータであるキャビテーション数と捕集効率に関係があることが確認されており、気泡微細化現象が捕集性能に大きく寄与していることが明らかとなった。
山本 誠士郎*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 今泉 悠也; 松場 賢一; 神山 健司
混相流, 37(1), p.79 - 85, 2023/03
In the safety study on a sodium-cooled fast reactor, it is assumed that the high temperature fuel debris are formed because of a core disruptive accident. During the cooling of the fuel debris, gas-liquid two-phase flow can be generated in the debris due to the coolant boiling. To improve the prediction accuracy of the flow characteristics, detailed measurement of the gas-liquid two-phase flow in the debris bed is required. In this study, gas-liquid two-phase flow in a quasi-two-dimensional sphere-packed bed, which simulates the debris bed, is visualized by using X-ray imaging. The experimental results show that the local void fraction increases near the splitting section in the packed bed and decreases near the coalescence section.
伊藤 大介*; 大平 直也*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 栗田 圭輔; 飯倉 寛
混相流, 37(1), p.73 - 78, 2023/03
気液二相流は、気相と液相の相互作用が関与する非常に複雑な流れ現象である。最近、二相流の正確なシミュレーション技術が開発された。ただし、実験データが少ないため、シミュレーション結果の検証は不十分である。時空間変動が大きい界面挙動を測定することは特に困難である。このような現象を理解するには、空間的・時間的分解能の高い計測手法が必要である。中性子イメージングは、二相流の視覚化のための強力なツールである。この研究では、狭い長方形の流路内の二相流を高速中性子イメージングによって可視化した。
上澤 伸一郎; 吉田 啓之
混相流シンポジウム2022講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2022/08
福島第一原子力発電所の廃炉工程において、放射性飛散微粒子の発生する可能性が指摘されており、その閉じ込め管理が課題となっている。閉じ込めに必要な排気系における放射性飛散微粒子の除去方法としては、既存の排気設備と同様に繊維フィルタなどが用いられると考えられるが、燃料デブリ切断・取り出し時など、飛散微粒子が高濃度に発生する環境下では、繊維フィルタの目詰まりにより、交換頻度が増大することが予想され、メンテナンス作業の負担や放射性廃棄物の増加を招くことが想定される。そこで本研究では、従来にないメンテナンスフリーの飛散微粒子除去技術として、気泡微細化現象を利用した飛散微粒子除去技術を開発した。気泡微細化現象とは、縮小拡大管内において液中の気泡が瞬時に縮小崩壊し、微細な気泡に変化する現象である。本技術は、この一連の気泡挙動に着目した技術であり、気泡の収縮・微細化による気液界面の変形、気泡微細化による単位体積当たりの気液接触面積の大幅な増加、微細気泡による流れの撹拌、気泡微細化による気泡の滞留時間(液中に気泡が存在する時間)の長期化等の効果により、飛散微粒子の気体から液体への移行を促進し、効率的に気体の微粒子を除去できることが期待される。本報では、この縮小拡大管における気泡微細化現象を用いた微粒子除去技術について説明するとともに、その有用性を確認するために実施した、粒子除去性能評価試験結果について報告する。
鳥川 智旦*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
混相流, 36(1), p.63 - 69, 2022/03
ナトリウム冷却高速炉(SFR)において、炉容器上部プレナム内の自由界面で、自由表面渦によるカバーガス巻込みが発生し、巻き込まれたガスが炉心を通過することで炉出力の擾乱を生じる可能性がある。そのため、巻き込みガスの流量を正確に予測するための評価モデルの開発が重要となる。既往研究における単一渦のガス巻込み試験では、一般的に、ガス巻込みは上部タンクの自由表面渦によって引き起こされ、吸込み管によって下部タンクにおいてガスが液体から分離される。しかし、これらの研究では、上部タンクと下部タンクとの間の圧力差の影響に着目していない。本研究では、上下部タンク間の圧力差の影響に着目した単一渦のガス巻込み試験を行った。上部タンクと下部タンクとの圧力差は、下部タンクのガス圧力を変更して制御した。その結果、上部タンクと下部タンクの圧力差が増加するにつれ、巻込みガス流量も増加することが分かった。また、吸込み管内の旋回環状流の可視化により、巻込みガス流量が増加すると吸込み管内の圧力降下が大きくなることが分かり、旋回環状流領域における圧力降下に基づいた評価モデルによってガス巻込み流量を予測できることが示唆される。
上澤 伸一郎; 鈴木 貴行*; 吉田 啓之
混相流シンポジウム2018講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2018/08
気液の存在割合を表すボイド率は気液二相流の重要な物理量であり、様々な分野の機器設計や流動特性を理解する上で欠かせないパラメータである。そのボイド率の流路断面2次元分布のリアルタイム計測が可能な手法として、ワイヤメッシュセンサ(以下、WMS)がある。WMSには流路内にワイヤを多数挿入するため流動が阻害され、その電場分布の非一様性による気泡位置に対する計測誤差は十分に確認されていないなどの課題がある。これらの計測への影響は、使用するワイヤの本数や流動条件で異なると考えられるため、WMSをテスト部に実装する前に、その計測性能や計測への影響を評価できる数値解析手法が必要である。そこでWMSの計測性能と上記問題点を計算機上で評価するための、WMSにおける気泡挙動・電場分布の同時評価手法の開発を実施した。解析の有用性を把握するため、3
3の2線式WMSにおける単一気泡の挙動・電流密度分布解析を行い、ワイヤによって気泡が大きく変形することを再現できたとともに、WMSは送信-受信ワイヤ間外にも有意な感度を持つこと、送信-受信ワイヤ間に気泡があっても、その位置によってボイド率が変化するなど、これまで明らかにされていなかったWMSの感度領域に関する新たな知見を得た。
Xiao, Y.*; Shen, X.*; 三輪 修一郎*; 孫 昊旻; 日引 俊*
混相流シンポジウム2018講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2018/08
ロッドバンドル体系における二流体モデルの構成式の高度化を図るために、66ロッドバンドル体系における上昇気液二相流実験を実施した。ボイド率や界面積濃度等の局所流動パラメータを2針式光プローブで計測した。計測した断面平均ボイド率と界面積濃度の結果と、既存ドリフトフラックスモデルや界面積濃度相関式から予測した結果と比較した。
上澤 伸一郎; 吉田 啓之
混相流, 32(1), p.140 - 149, 2018/03
液滴による放射性エアロゾル粒子の捕集が、原子力分野でも実用化されている。エアロゾル粒子捕捉の物理機構には、さえぎり、慣性衝突、ブラウン運動による拡散、重力沈降、静電引力があると考えられているが、エアロゾル粒子は比較的微小かつ高速で運動することから、液滴によるエアロゾル粒子がそれらの物理機構によって捕捉されている様子を直接計測した例はない。本研究では、液滴によるエアロゾル粒子の捕捉挙動を明らかにするため、液滴周りのエアロゾル粒子群挙動を粒子画像流速測定法で計測した。さらに、液滴界面近傍のエアロゾル粒子の捕捉挙動を、対物レンズを備えた高速ビデオカメラを用いて観察した。その結果、飛来したエアロゾル粒子が液滴に捕捉される様子を直接撮影することに成功した。その粒子挙動は、液滴界面に捕捉された後に液滴内部まで侵入して液滴内に拘束される挙動、液滴界面に捕捉された後もそのまま界面上で拘束される挙動、液滴界面まで到達するものの捕捉されずに液滴界面上を移動する挙動、液滴界面まで近づけず捕捉されない挙動の計4種類あることが確認された。その可視化計測結果から、液滴に捕捉された粒子は比較的粒径が大きく、ストークス数は概ね1以上であり、本実験範囲においては、液滴前面における主な捕捉機構は「慣性衝突」であることが確認された。
上澤 伸一郎; 吉田 啓之
混相流シンポジウム2017講演論文集(USB Flash Drive), 2 Pages, 2017/08
液滴によるエアロゾル粒子の捕集は、多くの産業分野で実用化されている。近年では液滴による放射性エアロゾル粒子の捕集が、原子力分野でも実用化さている。エアロゾル粒子除去の物理機構には、さえぎり、慣性衝突、ブラウン運動による拡散、重力沈降、静電引力があると考えられているが、エアロゾル粒子は比較的微小かつ高速で運動することから、液滴によるエアロゾル粒子がそれらの物理機構によって捕捉されている様子を直接計測した例はない。本研究では、液滴によるエアロゾル粒子の捕捉挙動を明らかにするため、液滴周りのエアロゾル粒子群挙動を粒子画像流速測定法で計測した。さらに、液滴界面近傍のエアロゾル粒子の捕捉挙動を、対物レンズを備えた高速ビデオカメラを用いて観察した。その結果、液滴断面中心に飛来するエアロゾル粒子は、液滴界面近くで減速後に、液滴界面に捕捉されたことが確認された。しかしながら、液滴断面中心から離れた位置に飛来したエアロゾル粒子は、液滴界面に到達できず、液滴界面に捕捉されることはなかった。また、実験後の液滴界面と内部の観察から、液滴界面で捕捉されたエアロゾル粒子は液滴内部に移動することが確認された。
上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 永武 拓; 吉田 啓之
混相流, 31(2), p.162 - 170, 2017/06
東京電力福島第一原子力発電所事故では、非常用冷却水の注水・除熱機能が失われたため海水が注水された。しかし、炉内への海水注入は行われたことがなく、海水による燃料集合体の冷却は検討されていない。本研究では、海水を用いてプール核沸騰実験を実施し、伝熱面温度と伝熱面上の海水塩析出層厚さの測定を行い、海水塩析出物が核沸騰熱伝達へ与える影響について評価した。また、燃料棒と同様な寸法の内管加熱部を持つ鉛直二重管流路での上向き強制流動沸騰実験を実施し、海水の流動沸騰への影響についても議論した。その結果、高濃度の人工海水では、一定かつ低い熱流束であっても壁面過熱度が次第に増加し、既存の伝熱評価式から外れる、伝熱面温度の逸走が起きることを確認した。海水塩析出層厚さの測定から、この伝熱面温度の逸走は、伝熱面上に海水塩の1つである硫酸カルシウムが析出し、時間とともに析出層が厚くなることにより、表面までの熱抵抗が増加して起きる現象であると考えられる。また、海水塩濃度が高いほど、より低い熱流束で伝熱面温度の逸走が起きており、海水塩の伝熱面上での析出は、伝熱面近傍の海水塩濃度が関係すると考えられる。流動沸騰条件では、下流では海水の濃縮が進むため、下流の伝熱面にはプール核沸騰実験よりも低い熱流束で海水塩が析出し、伝熱面温度の逸走が発生することを確認した。
永武 拓; Liu, W.; 上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 吉田 啓之; 根本 義之; 加治 芳行
混相流シンポジウム2016講演論文集(USB Flash Drive), 2 Pages, 2016/08
福島第一原子力発電所事故においては、電源の喪失による使用済み燃料プール(SFP)の冷却系の停止により、水位の低下に伴う燃料の破損が懸念された。これを受け、冷却手段を失った際の対策として、可搬式スプレイによる冷却手段の確保が、その妥当性の評価等を含めて求められている。可搬式スプレイによるSFP中の燃料の冷却はこれまで十分には検討されていないため、冷却の妥当性の確認、運用方法の最適化等のための冷却性能の評価が必要となる。本研究では、冷却性能評価手法開発の一環として、燃料集合体の上部及び内部におけるスプレイ水の挙動に着目し、解析コード開発の実施及び現象把握や検証データ取得のための実験を計画している。本報告では、コード開発及び実験において重要な評価項目として考えられている、スプレイ水の燃料集合体内への侵入を阻害する気液対向流制限(CCFL)条件の評価及び可視化方法の確認を目的とした予備試験の結果について述べる。
江連 俊樹; 伊藤 啓; 亀山 祐理*; 栗原 成計; 功刀 資彰*
混相流, 30(2), p.189 - 196, 2016/06
In this study, experiments on vortex cavitation are carried out using a simple water cylindrical vessel with a suction nozzle. In order to understand the fundamental behavior of vortex cavitation, its instantaneous occurrence behavior is grasped by visualization using high speed camera. Velocity distribution around vortex, which causes cavitation, is also quantitatively grasped by means of Particle Image Velocimetry. From visualization measurements, vortex cavitation is considered to be triggered by the wall nuclei and the cavity develops immediately toward the suction nozzle once triggering occurs on the bottom wall. In addition, distribution of pressure decrease along vortex center estimated based on Burgers model and measured velocity distribution shows monotone increase from the bottom wall toward the suction nozzle. As the results, the cavity is thought to develop toward the suction nozzle intake immediately, if some triggering of cavitation occur on the bottom wall.
山路 達也*; 小泉 安郎; 山崎 康平*; 大竹 浩靖*; 長谷川 浩司*; 大貫 晃*; 金森 大輔*
混相流シンポジウム2015講演論文集(USB Flash Drive), 2 Pages, 2015/08
PWR小破断冷却材喪失事故時に、過渡的な炉心水位低下をもたらすことが懸念されている、蒸気発生器上昇流側U字管内冷却水滞留を調べることを目的として、凝縮を伴う垂直管内気液対向流の蓄水挙動を実験により調べた。実験は、内径18mm、長さ4mの垂直円管を試験流路として、蒸気と水を用いて圧力0.1MPaの下で行われた。透明管による可視化、及び、真鍮管を用いた蓄水量定量評価の2種の実験を行った。流路下端入口で液が流下できない条件であっても、蒸気は流路を上昇するにつれ凝縮されて流速を減じるため、管路上方で凝縮液流下の状態となり、管路内に二相混合水位が形成され、管路内に凝縮水滞留を生じることを実験的に把握した。さらに実験結果をもとに、蓄水量評価モデルを導出し、蓄水挙動を適切に表現できることを確認した。
梅澤 克洋; 中山 真一
混相流, 26(4), p.418 - 425, 2012/12
原子力機構は、東日本大震災後の福島県の環境改善のために放射線モニタリング,除染,コミュニケーション活動、及び関連する研究開発などの多様な活動を行ってきている。除染モデル実証事業は警戒区域や計画的避難区域で実施され、除染作業における適用性や効率性の観点から既存技術やそれを改良した技術が試験された。除染に伴い発生する除去物は仮置場等の保管施設に保管され、また、労働者の被ばく防護のための方法が調査された。研究開発としては、除染計画立案のためのコンピュータシミュレーション,航空機による放射線モニタリング,除染技術開発などが続けられている。
秋本 肇
混相流, 26(3), p.266 - 272, 2012/09
原子力工学分野における気液二相流解析技術に関して、最近の25年間を中心にレビューした。1980年代から1990年代には非常用炉心冷却系の有効性を実証するために多くの大規模実験が行われた。これらの試験結果は、RELAP5やTRACコードに代表されるいわゆる最適評価コードに集約化された。また、シビアアクシデント研究が行われ、事故緩和策の検討が進められた。近年の計算機性能の向上と相まって、1990年代から2000年代には、3次元解析やサブチャンネル解析のような詳細シミュレーション技術の開発が進められている。最後に、今後の課題と展望について短くまとめた。
伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之
混相流, 26(1), p.52 - 59, 2012/03
高速炉ガス巻込み現象の直接解析を目的として、著者らは高精度気液二相流数値解析手法の開発を行っている。本論文では、非構造格子系における高さ関数法を開発することによって気液界面勾配の計算手法を改良し、基礎検証によって直線界面の再現に成功するとともに、界面局率の計算も高精度化できたことを示す。
吉田 啓之; 鈴木 貴行*; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2010講演論文集, p.344 - 345, 2010/07
加速器駆動未臨界炉では熱的に厳しいターゲット窓の利用を回避するため、冷却材-ガス間に形成した自由表面をターゲット境界として利用するウィンドウレスターゲットの採用が検討されている。この設計で必要な自由表面挙動を予測するため、原子力機構では、詳細二相流解析コードTPFITによる設計手法を開発している。本報告では、水-蒸気実験を模擬した解析をTPFITで行い、その適用性を評価した。その結果、TPFITにより、実験結果と定性的に一致する界面形状を再現できることを確認するとともに、ターゲット中心部に見られる再循環についても評価できることを確認した。
中塚 亨; 三澤 丈治; 吉田 啓之; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2010講演論文集, p.348 - 349, 2010/07
原子力機構では、超臨界圧軽水冷却炉の炉心熱設計精度の向上を目的として、ラージ・エディ・シミュレーションによる超臨界圧流体の乱流熱伝達率予測手法を開発している。本報では、九州大学で実施した超臨界圧フレオンを用いた円管内熱伝達試験データをもとに実験解析を行った結果について報告する。本研究の結果、超臨界圧流体の場合には、主流に比べて壁面近傍での物性値依存性が大きく、それが乱流構造に影響して、伝熱劣化の要因の一つになっていることが予測された。開発した手法により、超臨界圧流体の乱流熱伝達率の予測に目途が得られた。
三澤 丈治; 吉田 啓之; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2010講演論文集, p.92 - 93, 2010/07
熱流体と構造体が相互に作用する条件に対する解析手法開発の一環として、原子炉が地震によって振動する場合の燃料集合体内沸騰二相流挙動に関する評価計算を行っている。今回は、振動の方向に着目し、振動方向が二相流挙動に及ぼす影響をパラメータ計算によって明らかにした。解析体系は、燃料集合体内で隣り合う2本の燃料棒によって囲まれるサブチャンネルを簡略模擬した2次元の両面加熱平板である。流体である水は鉛直下方から流入し、平板によって加熱されて沸騰し、水と蒸気の二相流となる。地震による沸騰二相流への影響を解析するために、流体の運動方程式に地震加速度項を付加した。解析は、加速度400ガルの条件で、燃料集合体水平方向へ与える加速度の振動周期を0.08秒から1.2秒の範囲とし、垂直方向へ与える加速度の振動周期を0.15秒として実施した。一連の解析の結果、振動周期が同じならば水平方向に加速度を与えた場合の方が、垂直方向の場合よりも沸騰二相流挙動に及ぼす影響は顕著であることがわかった。また、水平方向に加速度を与えた場合には、振動周期の減少に伴い、ボイド率の変動に時間遅れが発生し、この時間遅れが、ボイド率の大きさに起因していることがわかった。
二川 正敏; 田中 伸厚*
混相流, 24(2), p.138 - 145, 2010/06
高出力核破砕パルス中性子源水銀ターゲットの開発の現状について解説した。まず、高出力化の課題を概観する。ここでは、陽子線入射により生じる圧力波が水銀中にキャビテーションを発生させること、それにより容器壁面に付加される損傷について定量的に評価した結果を示している。次に、その抑制技術として、容器材料側及び水銀側からのアプローチについて紹介する。材料側ではプラズマ炭化と窒化処理技術の開発について、水銀側では圧力波低減技術として流動水銀中への気泡注入技術、また水銀流れの効果について述べている。これらの成果に基づき、実機に装着すべく機器設計を精力的に行っている。
