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論文

A Novel ultrasonic evaluation process for cavitation damage by combination of attenuation and higher harmonics

Wan, T.; 涌井 隆; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克寛*; Wan, T.*

実験力学, 13(4), p.387 - 394, 2013/12

J-PARCの1MW中性子源として、物質・生命科学実験施設に、水銀ターゲット容器が設置されている。陽子ビームが水銀ターゲット容器に入射することにより、水銀ターゲット容器の内壁面にキャビテーション損傷が生じる。水銀ターゲット容器の構造健全性や寿命の評価の観点から、キャビテーション損傷を非破壊的に評価することは重要である。本研究では、非線形超音波法を用いて、キャビテーション損傷の評価を試みた。電磁衝撃力負荷装置を用いて、キャビテーション損傷を与えた試験片を作成し、非線形超音波画像法により損傷を評価した。損傷面とは逆の面から、超音波の送受信を行い、損傷面から反射した超音波波形における減衰率と高調波に着目し、波形に及ぼす損傷の影響を明らかにした。そして、その結果を基に、キャビテーション損傷を評価する新たな手順を考案した。本手法をキャビテーション損傷材に適用した結果、最小約25$$mu$$mの損傷を検知することができることが分かった。

論文

高速増殖炉用超音波流量計の開発; 多測線方式超音波流量計の適用性検証

平林 勝; 文字 秀明*; 佐川 寛*

実験力学, 12(4), p.391 - 397, 2012/12

In a conceptual design study on a commercial Fast Breeder Reactor, a large-diameter high-chrome steel piping was introduced to shorten the length of the piping. Ordinarily, an electromagnetic flowmeter (EMF) is applied to measure the flow rate of liquid metal such as sodium. However, because the EMF is not well suited to magnetic material, such as high-chrome steel, an ultrasonic flowmeter is being developed to measure the flow rate of sodium. An ultrasonic transit-time method is applied to flow rate measurement. Water-flow tests were carried out using a 1/4 scale model in order to evaluate the effect of the number of ultrasonic propagation paths on applicability to measurement and development requirements. As a result, it was confirmed that linearity of flow rate and measurement response time requirements were satisfied with 2- and 4-paths. Also, it was found that flow rate measured by the ultrasonic flowmeter in the 4-path did not depend on the installation position of the transducer in a piping system with upstream pipe from 3.0 to 3.6 times the piping inner diameter. From the above results, it was verified that the ultrasonic flowmeter is applicable to a commercial FBR by adopting the multi-path system.

論文

高速炉における熱流動場

田中 正暁

実験力学ハンドブック, p.417 - 428, 2008/01

朝倉書店から出版予定の「実験力学ハンドブック(応用編、原子力工学)」の一部を担当する。記載する内容は、ポーラス状局所閉塞事象に関連して多孔質体内の可視化計測に関する基礎研究について、及びT字配管合流部における温度変動分布の可視化計測実験に関するものである。

論文

Wettability effect on bubble formation at orifice type nozzle

Bucheeri, A.; 粉川 広行; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

実験力学, 7(4), p.331 - 336, 2007/12

J-PARCには、水銀をターゲット材に用いた核破砕中性子源が設置される。高出力の陽子線が水銀に入射すると、圧力波によってキャビテーションが誘発される。キャビテーション損傷を抑制するために、直径50-200$$mu$$m程度のマイクロバブルを水銀中へ注入することを検討している。しかしながら、水銀は濡れ性が悪いため、水銀中における気泡の生成は困難である。また、水銀は不透明であるため、水銀中における気泡生成の観察は困難である。そこで、濡れ性が悪い条件における気泡生成挙動を再現するために、濡れ性を人工的に変化させて水中で気泡生成実験を行った。穴径100$$mu$$mのオリフィスからの気泡の成長過程を高速度ビデオカメラにより観察した。さらに、オリフィスからの気泡の成長に濡れ性が及ぼす影響を調べるために、数値解析を行った。その結果、生成される気泡直径は接触角に依存し、濡れ性が悪くなるに従い気泡直径は増大した。

論文

水銀キャビテーションにおける気泡挙動

直江 崇; 二川 正敏; 小山 智史*; 粉川 広行

実験力学, 6(3), p.301 - 307, 2006/09

核破砕中性子源水銀ターゲットに高強度のパルス陽子線が入射されると、熱衝撃により圧力波がターゲット容器内の水銀中に発生する。その伝播過程で容器壁と水銀の界面において負圧が生じ、キャビテーションが発生する。このキャビテーション気泡の崩壊により容器内壁は壊食損傷を受ける。本報では、液体水銀中の急激な圧力変動に伴う微小気泡の成長・崩壊挙動を把握し、損傷形成のメカニズムを明らかにすることを目的として、まずバブルダイナミックスに関する Rayleigh-Plessetの式を援用した解析を行い、水銀中の単一気泡の成長挙動と圧力変動との相関を評価した。さらに、電磁式衝撃圧負荷試験装置を用いた衝撃圧負荷試験における水銀中の気泡挙動を高速度ビデオカメラを用いて観察し、解析結果と比較した。その結果、気泡サイズ及び寿命は負荷圧力変動、特に負圧の飽和時間に依存すること,15kHz以上の高周波数成分はバブル崩壊により励起されることを示した。

論文

気泡崩壊誘起音響振動を用いた壊食損傷評価

直江 崇*; 二川 正敏; 小山 智史*; 粉川 広行; 池田 裕二郎

実験力学, 5(3), p.280 - 285, 2005/09

現在、開発が進められているJ-PARCの物質生命科学研究施設では、核破砕中性子源水銀ターゲットから生成される中性子を利用した最先端の研究が行われる。大強度の陽子線入射に伴う熱衝撃により、水銀を充填するターゲット容器と水銀との界面では、急激な圧力変動によりキャビテーションが発生する。このキャビテーションによりターゲット容器内壁は壊食損傷を受ける。この壊食損傷は、薄肉構造であるターゲット容器の交換寿命を決定する因子となる。これまでに、電磁式衝撃圧負荷試験装置を用いて陽子線入射時の圧力変動を想定したキャビテーション壊食試験を行い、水銀中での衝撃壊食挙動を評価した。ここでは、キャビテーションにより生じる微小気泡の崩壊に起因する音響振動を計測し、損傷形態と比較した。その結果、音響振動から損傷の程度を評価するのに有用な情報が得られることを確認し、音響振動によりターゲット容器の健全性を診断できる可能性を示した。

論文

球接触多層モデルを用いた逆解析による傾斜表層部の力学特性評価

直江 崇*; 二川 正敏; 内藤 明*; 井岡 郁夫; 粉川 広行

実験力学, 5(1), p.15 - 21, 2005/03

試料と圧子の接触角が押込み深さとともに変化する球状圧子による押込み試験結果に、カルマンフィルタを用いた多層モデルの逆解析を適用し、各層の構成式中の材料定数を同定する方法を考案した。本手法を用いて、深さ方向で特性の異なる水銀浸漬材,イオン照射材の材料特性変化を定量的に評価した。本手法により、通常引張り試験を行うことが困難である材料の極表層部の公称応力-歪み曲線を得ることができた。その結果、受け入れ材では、実験結果とほぼ一致し、イオン照射材では同程度の陽子&中性子照射を行った場合の実験結果にほぼ近い引張り曲線が得られ、本手法の妥当性を確認するとともに、オーステナイトステンレス鋼が、照射単独に比べ水銀&照射複合環境下では延性の低下が促進されることを示唆した。

論文

日本原子力研究所大強度陽子加速器施設開発センター中性子施設開発グループ,ターゲットサブグループ

粉川 広行

実験力学, 5(1), P. 64, 2005/03

日本原子力研究所東海研究所では、大強度陽子加速器施設J-PARCの開発・建設を進めている。中性子施設開発グループは、J-PARC施設の一つである物質・生命科学実験施設の核破砕中性子源の開発をおもに行っている。核破砕中性子源では、加速器で加速されたパルス陽子ビームを、水銀ターゲットに入射し、核破砕反応によって発生した中性子を測定実験に供する。水銀ターゲットに関する主な課題を示す。(1)水銀中に圧力波が発生し、水銀ターゲット容器に負荷を与える。実際に水銀に陽子を入射して圧力波を発生させ、容器の変位速度を、レーザードップラー振動計を用いて計測し、その結果をもとに、応力解析の高精度化を行っている。(2)圧力波の伝播によって、水銀中にキャビテーションが発生して、容器に損傷をもたらす。水銀中で繰返しキャビテーション損傷を与える装置を製作し、キャビテーション損傷のデータを、レーザー顕微鏡を用いて取得し、容器の寿命評価手法を開発している。(3)He気泡注入機構を設置した水銀ループを製作し、キャビテーション損傷に対する微小He気泡の影響を評価し、圧力波、及びキャビテーション損傷の抑制技術を開発する計画である。これらの課題を解決しながら設計を進めている。

論文

押込み荷重-深さ曲線の逆値問題; 球状圧子による材料定数の同定

二川 正敏; 涌井 隆*; 直江 崇*; 井岡 郁夫

実験力学, 4(3), p.222 - 227, 2004/09

球状圧子による押込み試験から得た荷重-深さ曲線に対して、カルマンフィルタを用いた逆解析を行い、構成式中の材料定数を同定する手法を考案した。まず、仮想試料による数値実験から、球状圧子の優位性を示すとともに同定精度向上のために最適な押し込み深さを示した。次に、実金属材料(Al合金とステンレス鋼)に対して、本手法を適用した。すなわち、単軸引張り試験結果と同定した材料定数を用いたFEM解析結果を比較し、同定した材料定数により、実測した公称応力-歪み曲線をよく再現できることを示した。これより、球状圧子から得た押込み荷重-深さ曲線に対して逆解析を行い材料定数を同定する本手法の有効性を確認した。

論文

熱化学法水素製造プロセス環境下における構造材料腐食層の力学特性評価

二川 正敏; 久保 真治; 涌井 隆*; 小貫 薫; 清水 三郎; 山口 明久*

実験力学, 3(2), p.109 - 114, 2003/06

熱化学法水素製造ISプロセス環境下で構造材料に形成される腐食層の力学特性を評価した。まず、4種類の金属材料(316SS,Ni-Alloy,Ti及びTa)に対して、ISプロセスのヨウ化水素分解環境を想定した条件下で100時間の腐食試験を行った結果、316SSは腐食層を形成し、Tiは粒内に水素脆化が確認されず、良好な耐食性を示すことを確認した。腐食層の評価には、微小押し込み試験法から得た押込み荷重と深さの関係に対して、逆解析を行い、ヤング率,降伏応力,加工硬化係数,加工硬化指数の変化を評価した。これより、Taについては、表層約200ミクロンまでの厚さにおいて延性の低下を示し、最大引張強度の増加及び均一伸びの減少を示すことがわかった。

論文

衝撃荷重を受ける液体と構造体の連成挙動

粉川 広行; 石倉 修一*; 二川 正敏; 日野 竜太郎

実験力学, 2(2), p.122 - 127, 2002/06

MWクラスの中性子散乱施設用水銀ターゲットでは、大強度のパルス陽子ビームが水銀に入射することにより、水銀は急激に発熱して水銀中に圧力波が発生する。圧力波がターゲット容器壁(構造体)に到達すると容器壁に大きな負荷を及ぼすとともに、構造体の変形と液体水銀の連成挙動により水銀が膨張してターゲットビーム窓の近くで負圧(引張)が発生することが解析的に示されている。負圧の発生によりキャビテーション気泡が生じ、気泡崩壊の際のマイクロジェットによりターゲットビーム窓は損傷を受ける可能性がある。そこで、衝撃荷重下での構造体と液体の変形による負圧の発生現象を把握するために、円筒容器に水を満たして衝撃実験を行い、衝撃荷重下での構造体と液体の連成挙動を調べた。試験は、円筒容器の底に模擬ビーム窓を設置し、容器上部から直接水に衝撃を与えて水中に圧力波を発生させた。その際、模擬ビーム窓の厚さ及び衝撃速度を変化させて負圧発生の挙動を調べた。その結果、模擬ビーム窓が薄く、衝撃速度が速いほど、模擬ビーム窓の変形の慣性効果が大きくなるために、模擬ビーム窓近傍で負圧が発生しやすいことを明らかにした。並行して、有限要素法による解析を行い、衝撃荷重下での液体と構造体の連成挙動のモデルを検証した。

論文

水銀液滴の衝撃挙動

伊達 秀文*; 二川 正敏; 石倉 修一*

実験力学, 2(2), p.103 - 108, 2002/06

核破砕中性子源として液体水銀の適用が計画されている。陽子入射時に生じる瞬時発熱により、液体水銀には圧力波が生じることから、ターゲット容器の健全性確保には液体水銀の動的特性に基づく固/液体連成挙動の評価が重要である。液体水銀と固体金属との衝突現象について、水銀液滴と固体壁面との衝突現象を高速度カメラで捕らえると共に、衝撃弾性棒を用いた衝撃力の計測を行った。衝突時の水銀液滴の変形は、衝撃速度と衝突壁面粗さに依存した挙動を示した。また、衝撃パルスの持続時間を衝撃体の音速と形状係数で無次元化した衝撃持続時間は、衝突速度及び液滴サイズに依存せず一定値を示すことを実験的に確認した。この関係から水銀液滴衝撃により降伏応力を越える臨界衝撃速度は、316ssの場合約5m/sと見積もられた。この値は水の場合の約1/20であり、液体水銀ターゲット容器が衝撃壊食損傷を受ける可能性を示唆した。

論文

Creep Fatigue Test on LMFBR Structure with Weldment in Flowing Sodium at Thermal Transient Test Facility

菊地 政之*; 梅田 寿雄*

第8回実験力学国際会議, 0 Pages, 1996/06

実験技術・実験解析を対象とした国際会議において、構造物強度確証施設(TTS)における試験技術及び実験例を報告する。■高速炉構造物の主たる設計対象荷重である熱過渡荷重による構造物のクリープ疲労試験を行い、高温構造設計方針の実証・高度化及び機器・配管等の健全性を実証をしている。■TTSは供試体に高温と低温のナトリウムを交互に流動させることで熱過渡を負荷する。短期間に破損にまで至らしめることが可能なように、実機温度条件を更に加速した厳しい熱過渡負荷能力を有する。試験装置の運転、条件管理はコンピュータ制御される。適用可能な供試体のサイズは1/3$$sim$$1/10程度であるが肉厚は実機相当とすることが出来る。■TTSにおいて溶接継手を多数含むSUS304$$sim$$316FRから成る構造物を供試体としてクリープ疲労試験を行った。き裂の発生状況から、溶接継手の強度、316FRの強度について有用な知見を得ることができた。

論文

Creep Fatigue Test on LMFBR Structire with Weldment in Flowing Sodium at Thermal Thermal Transient Test Facility

菊池 政之; 梅田 寿雄

実験力学国際会議, , 

実験技術・実験解析を対象とした国際会議において,溶接継手部のクリープ疲労強度評価法の開発に反映することを主目的にしたTTSでの試験は比較的大型のナトリウムループ及び構造物供試体を用いたものであり,多額の経費と長期の時間を要する。従って試験を実施する上で,試験目的を達成する上必要な破損データを効果的効率的に所得する技術が要求される。従って,本試験の供試体は複数の強度評価部位を有し,それらの破損程度が一律に同様である負荷条件に対して適度に異なるように狙いを持って設計・製作されたものである。試験後に供試体を解体検査した結果,供試 部各にき裂が存在した。これにより,溶接継手部や形状不連続部に破損状態について有用な知見がえれらた。

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