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成川 隆文; 近藤 啓悦; 藤村 由希; 垣内 一雄; 宇田川 豊; 根本 義之
Journal of Nuclear Materials, 582, p.154467_1 - 154467_12, 2023/08
被引用回数：3 パーセンタイル：95.99(Materials Science, Multidisciplinary)To evaluate the behavior of an oxide-dispersion-strengthened FeCrAl (FeCrAl-ODS) cladding tube under loss-of-coolant accident (LOCA) conditions of light-water reactors (LWRs), the following two laboratory-scale LOCA-simulated tests were performed: the burst and integral thermal shock tests. Four burst and three integral thermal shock tests were performed on unirradiated, stress-relieved FeCrAl-ODS cladding tube specimens, simulating ballooning and rupture, oxidation, and quenching, which were postulated during a LOCA. The burst temperature of the FeCrAl-ODS cladding tube was 200-300 K higher than that of the Zircaloy cladding tube, and the FeCrAl-ODS cladding tube's maximum circumferential strain was smaller than or equal to the Zircaloy-4 cladding tube. These results indicate that the FeCrAl-ODS cladding tube has higher strength at high temperatures than the conventional Zircaloy cladding tube. The FeCrAl-ODS cladding tube did not fracture after being subjected to an axial restraint load of 
5000 N, which is more than 10 times higher than the axial restraint load estimated for existing LWRs, during quenching, following isothermal oxidation at 1473 K for 1 h. The FeCrAl-ODS cladding tube was hardly oxidized during this isothermal oxidation condition. However, it melted after a short oxidation at 1673 K and fractured after abnormal oxidation at 1573 K for 1 h. Based on these results, the FeCrAl-ODS cladding tube should not fracture in the time range expected during LOCAs below 1473 K, where no melting or abnormal oxidation occurs.
17 type PWR fuel cladding tube under LOCA-simulated burst conditions古本 健一郎; 宇田川 豊
Journal of Nuclear Science and Technology, 60(5), p.500 - 511, 2023/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nuclear Science & Technology)In order to contribute to better modeling and evaluation of fuel fragmentation, relocation, and dispersal expected under loss of coolant accident (LOCA) conditions, LOCA-simulated cladding burst experiments were performed on as-received nonirradiated 17 17 type Zircaloy-4 cladding specimens that were internally pressurized. The experiments were designed to terminate at burst occurrence to focus on ballooning and rupture opening formation and to investigate the effects of various factors. The postburst cladding hoop strain decreased with the increase in azimuthal temperature distribution (ATD) of the cladding, as found previously. The rupture opening size increased with the increase in ATD and the increase in energy of the pressurized gas stored inside the pressure boundary of the test sample system. Comparison with the existing database, which included tests on irradiated rods containing fuel pellets, suggested that formation of the rupture opening was influenced by the characteristic behavior of high burnup fuels, such as limited gas migration in the cladding tube due to fuel-cladding bonding and interaction of the ejected fuel fragments with the cladding tube.
成川 隆文; 天谷 政樹
Journal of Nuclear Science and Technology, 57(1), p.68 - 78, 2020/01
被引用回数：2 パーセンタイル：21.58(Nuclear Science & Technology)To evaluate the fracture limit of high-burnup advanced fuel cladding tubes under loss-of-coolant accident (LOCA) conditions, laboratory-scale integral thermal shock tests were performed using the following advanced fuel cladding tubes with burnups of 73 - 85 GWd/t: M-MDA
, low-tin ZIRLO, M5
, and Zircaloy-2 (LK3). In total eight integral thermal shock tests were performed for these specimens, simulating LOCA conditions including ballooning and rupture, oxidation, hydriding, and quenching. During the tests, the specimens were oxidized to 10% - 30% equivalent cladding reacted (ECR) at approximately 1473 K and were quenched under axial restraint load of approximately 520 - 530 N. The effects of burnup extension and use of the advanced fuel cladding tubes on the ballooning and rupture, oxidation, and hydriding under LOCA conditions were inconsiderable. Further, the high-burnup advanced fuel cladding tube specimens did not fracture in the ECR values equal to or lower than the fracture limits of the unirradiated Zircaloy-4 cladding tube reported in previous studies. Therefore, it can be concluded that the fracture limit of fuel cladding tubes is not significantly reduced by extending the burnup to approximately 85 GWd/t and using the advanced fuel cladding tubes, though it slightly decreases with increasing initial hydrogen concentration.
湯村 尚典; 天谷 政樹
Annals of Nuclear Energy, 120, p.798 - 804, 2018/10
被引用回数：6 パーセンタイル：52.79(Nuclear Science & Technology)To investigate the relationship between the fracture resistance of a cladding tube and the amount of deformation of the cladding tube due to ballooning and rupture during a loss-of-coolant accident (LOCA), four-point-bending tests were performed using non-irradiated Zircaloy-4 cladding tubes which experienced a LOCA-simulated sequence (ballooning, rupture, high temperature oxidation and quench). According to the obtained results, it was found that the maximum bending stress of the cladding tube after the LOCA-simulated sequence, which was defined as the fracture resistance, correlated to the average thickness of prior-
layer in the cladding tube. Based on the average thickness of prior- layer, the fracture resistance of the cladding tube with ballooning and rupture was expressed as functions of isothermal oxidation time and temperature and the maximum circumferential strain on the cladding tube.
成川 隆文; 天谷 政樹
Journal of Nuclear Science and Technology, 53(11), p.1758 - 1765, 2016/11
被引用回数：10 パーセンタイル：68.36(Nuclear Science & Technology)In order to investigate the effect of azimuthal temperature distribution on the ballooning and rupture behavior of Zircaloy-4 (Zry-4) cladding tube, laboratory-scale experiments on non-irradiated Zry-4 cladding tube specimens were performed under transient-heating conditions which simulate loss-of-coolant-accident (LOCA) conditions by using an external heating method, and the data obtained were compared to those from a previous study where an internal heating method was used. The maximum circumferential strains (
s) of the cladding tube specimens were firstly divided by the engineering hoop stress (
). The divided maximum circumferential strains, 
s, of the previous study, which used the internal heating method, were then corrected based on the azimuthal temperature difference (ATD) in the cladding tube specimen. The s for the external heating method which was used in this study agreed fairly well with the corrected s obtained in the previous study which employed the internal heating method in the burst temperature range below 1200 K. Also, the area of rupture opening tended to increase with increasing of the value which is defined as multiplied by . From the results obtained in this study, it was suggested that and the size of rupture opening of a cladding tube under LOCA-simulated conditions can be estimated mainly by using , and ATD in the cladding tube specimen, irrespective of heating methods.
成川 隆文; 天谷 政樹
Journal of Nuclear Science and Technology, 53(1), p.112 - 122, 2016/01
被引用回数：7 パーセンタイル：55.03(Nuclear Science & Technology)In order to investigate the effect of oxidation and crystal phase condition on the ballooning and rupture behaviors of cladding tube under simulated loss-of-coolant-accident (LOCA) conditions, laboratory-scale experiments were performed in which internally pressurized non-irradiated Zircaloy-4 (Zry-4) cladding specimens were heated to burst in steam and argon gas conditions. Values of the maximum circumferential strain were normalized by dividing them by engineering hoop stress at the time of rupture. The dependence of the normalized value on burst temperature and the relationship between the normalized value and the length, width and area of rupture opening were evaluated. The correlation between the normalized value and the burst temperature suggested that the fraction of the phase in Zry-4 cladding specimens affected the strain in the specimens and the oxidation of specimens suppressed the amount of ballooning of the specimens. The relationship between the normalized value and the length, width and area of rupture opening indicated that the length, width and area of rupture opening depended on the crystal phase condition in Zry-4 cladding specimens irrespective of atmosphere in the case of the heating rate of 3 K/s.
相羽 信行; 徳田 伸二; 石澤 朋子*
Journal of Plasma Physics, 72(6), p.1127 - 1131, 2006/12
被引用回数：1 パーセンタイル：3.54(Physics, Fluids & Plasmas)トカマク核融合装置において高性能プラズマを長時間保持することを実現するうえで、外部電磁流体(MHD)不安定性の発生を抑えることは重要な課題であり、特にこの不安定性のアスペクト比に対する依存性は装置設計を行ううえで考慮すべき要因の一つである。本研究ではこれまで開発を続けてきたMHD安定性解析コードMARG2Dの特徴である「広いトロイダルモード数nの範囲にわたって解析ができる」という特長を生かすことで、nが1から10までの外部MHDモードの安定性に対するアスペクト比の依存性を調べた。その結果、外部MHDモードから決まるプラズマ圧力の限界はアスペクト比を小さくすることで高くなることを確認した。またプラズマを囲む完全導体壁の位置がプラズマ表面に近い場合、アスペクト比が小さくなるにつれて圧力限界を決める外部モードのトロイダルモード数は大きくなることを示した。さらにこの原因が、アスペクト比を小さくしたことによって異なるポロイダルモード間のトロイダル結合が強くなり、その結果nの小さいモードを強く安定化する導体壁の影響が強く表れるためであることを、MARG2Dコードで得られる固有関数を比較することによって明らかにした。
古川 勝; 徳田 伸二
Nuclear Fusion, 45(5), p.377 - 383, 2005/05
被引用回数：10 パーセンタイル：34(Physics, Fluids & Plasmas)トロイダル回転トカマクにおけるバルーニング摂動を、回転がないプラズマにおけるバルーニングモードに関連した自乗可積分な固有関数系で展開した。特に、固有値問題の重み関数を工夫することによって点スペクトルのみが現れるようにし、自乗可積分な固有関数系を得ることに成功した。固有値はトロイダル回転シアのために時間変化し、加算無限個の固有値の交叉が起こる。この交叉を介して不安定モードから加算無限個の安定モードへエネルギーが移送される。これがバルーニングモード安定化の物理機構である。また、バルーニングモードを安定化するのに必要なトロイダル回転シアを見積もる簡単な解析公式を導いた。
古川 勝; 徳田 伸二
Physical Review Letters, 94(17), p.175001_1 - 175001_4, 2005/05
被引用回数：17 パーセンタイル：65.5(Physics, Multidisciplinary)トロイダル回転するトカマク中のバルーニング摂動を、回転がない場合のバルーニングモードに関連した固有値問題の自乗可積分な固有関数系で展開した。特に、その固有値問題は、重み関数をうまく選ぶことにより離散スペクトルのみを持つようになっている。トロイダル差動回転によって、固有値が時間変化し、その結果、可算無限個の固有値の交叉が起こる。この交叉によって、不安定モードから安定モードへのエネルギー移送が起こる。これがバルーニングモード安定化のメカニズムである。
古川 勝; 徳田 伸二; 若谷 誠宏*
Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(2), p.409 - 421, 2004/02
被引用回数：7 パーセンタイル：22.95(Physics, Fluids & Plasmas)本報では、回転がない、あるいはトロイダル回転するD型トカマクのHモード(高閉じ込めモード)プラズマにおいて、セパラトリクス(X点)は、ペデスタル内の薄い層でしか高n(n: トロイダルモード数)バルーニング安定性に影響を与えない。したがって、セパラトリクスのあるトロイダル回転プラズマにおいても、やはりD型化はバルーニングモードを効果的に安定化することについて記述している。
古川 勝; 徳田 伸二
Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.210 - 213, 2004/00
これまでに、トロイダル回転シアはトカマクにおけるバルーニングモードの摂動エネルギーを減衰させ、その結果モードを安定化することを数値的に明らかにした。しかし、その減衰が引き起こされる物理機構は未解明である。これを明らかにするには解析的手法によるのが明快であると考えられるが、数値的研究に用いている方程式は複雑で解析には不向きである。したがって、本研究では、トロイダル回転を含めてバルーニングモードを記述するのに必要な基本的要素を残して簡単化したモデル方程式を導いた。さらに、その数値解を元の方程式のものと比較することにより、モデル方程式が今後の解析的研究に適切であることを示した。
杉原 正芳; Mukhovatov, V.*; Polevoi, A.*; 嶋田 道也
Plasma Physics and Controlled Fusion, 45(9), p.L55 - L62, 2003/09
被引用回数：40 パーセンタイル：74.98(Physics, Fluids & Plasmas)トカマクのHモード時の周辺ペデスタル圧力に関する従来の比例則を、形状因子の導入により改良した。この 形状因子の物理背景は、磁気井戸効果により限界圧力勾配が高くなることである。すなわち磁気井戸が深くなるに従い、ピーリングモードと理想バルーニングモードは分離され、限界圧力勾配は中間領域モード数により決まることになり、限界値は大幅に高くなる。この改良された比例則はITERデータベースに格納されたASDEX-U, JET, DIII-D及びJT-60Uのデータをうまく再現する。
ballooning modes in tokamaks古川 勝; 徳田 伸二; 若谷 誠宏*
Nuclear Fusion, 43(6), p.425 - 429, 2003/06
トロイダルシア流が存在すると、高バルーニングモードの摂動エネルギーの時間発展に減衰フェーズが現れることを数値的に発見した。その減衰が、悪い磁場曲率の領域における指数的成長を上回ると、バルーニングモードは安定化される。この機構を通じて、プラズマ断面形状のD型化,低アスペクト比化、及びトーラス内側のX点の存在は、トロイダルシア流による安定化効果をより強くする。
ballooning modes in tokamaks古川 勝; 徳田 伸二; 若谷 誠宏*
Nuclear Fusion, 43(6), p.425 - 429, 2003/06
被引用回数：10 パーセンタイル：31.75(Physics, Fluids & Plasmas)トロイダルシア流が存在すると、高バルーニングモードの摂動エネルギーの時間発展に減衰フェーズが現れることを数値的に発見した。その減衰が、悪い磁場曲率の領域における指数的成長を上回ると、バルーニングモードは安定化される。この機構を通じて、プラズマ断面形状のD型化、低アスペクト比化、及びトーラス内側のX点の存在は、トロイダルシア流による安定化効果をより強くする。
井戸村 泰宏; 徳田 伸二; 岸本 泰明
Nuclear Fusion, 43(4), p.234 - 243, 2003/04
被引用回数：119 パーセンタイル：94.91(Physics, Fluids & Plasmas)ジャイロ運動論的トロイダル粒子コードGT3Dを開発した。GT3Dでは、軸対称トロイダル系における運動の恒量により定義される正準マックスウェル分布に基づく手法,高
モードのグローバル解析を可能にする準バルーニング展開、あるいは、粒子,エネルギーなどの保存則を改善する最適化粒子配分法といった新しい手法が実装されており、実装置パラメータにおける高精度のプラズマ乱流シミュレーションが可能になっている。本コードを大型トカマク
におけるITG(イオン温度勾配駆動)モードの解析に適用し、反転磁気シア配位は
領域におけるITGモードの実質的な安定化に寄与することを明らかにした。また、GT3Dでは正準マックスウェル分布を用いた実装により、軸対称モード、特に、乱流抑制に寄与する乱流駆動
帯状流の応答が正しく表現されている事を確認し、従来の局所マックスウェル分布を用いた乱流シミュレーションにおける重要な問題点を明らかにした。
小関 隆久; 石井 康友; S.R.Hudson*; 徳田 伸二; 濱松 清隆; 山極 満; 栗田 源一; 広瀬 章*; D.Monticello*; 津田 孝; et al.
Fusion Energy 1998 (CD-ROM), 4 Pages, 1999/00
高自発電流による定常トカマク炉においては、自発電流を有効利用した強い凹状電流分布による負磁気シア配位にする方法と、自発電流に加えプラズマ中心への電流駆動により弱い凹状電流分布による弱磁気シア配位にする方法が考えられ、プラズマ性能を向上させるには、MHD安定性の改善が重要課題である。負磁気シア配位においては、磁気シアが大きく負になると低nキンクモードを安定化できるが、理想及び抵抗性交換型モードが不安定化する。また、2つの有理面の接近によりダブルテアリングモードを励起する。一方、弱磁気シア配位においては、圧力分布の平坦化により、低nキンクモードを安定化できるが、新古典テアリングモードにより限界を下げる。本論文では、これらのモードに対して統一的に扱い、各々の配位に対する安定性を明らかにして、安定性改善の指針を与えている。
小関 隆久
プラズマ・核融合学会誌, 74(9), p.998 - 1005, 1998/09
トカマク・プラズマにおいて形成された内部輸送障壁によって励起されるMHD不安定性について、最近の研究成果を報告している。内部輸送障壁は、主に高ポロイダルプラズマと負磁気シアプラズマにおいて得られ、これに伴ってMHD不安定性が発生している。高ポロイダルプラズマにおける、低nキンク・バルーニングモードによるコラップスの発生、新古典テアリングモードの可能性、BLM現象について述べている。また、負磁気シアプラズマにおける、凹状電流分布による限界、抵抗性交換型モード等について言及している。最後に、今後の研究の課題及び展望について述べている。
山極 満; 広瀬 章*
Plasma Physics and Controlled Fusion, 40(9), p.1673 - 1678, 1998/00
被引用回数：1 パーセンタイル：4.04(Physics, Fluids & Plasmas)捕捉電子効果を考慮して負磁気シアプラズマにおける
及び運動論的バルーニングモードについて調べた。モードの固有値は運動論的シューティングコードを用いて計算した。捕捉電子-モードは正磁気シア静電近似での特性とほぼ同じ特性を有するが、有限ベータ効果によっては安定化されないことが判明した。捕捉電子の主たる効果として、運動論的バルーニングモードの成長率の顕著な低減が見いだされた。短波長領域では完全に安定化されることも明らかとなった。
山極 満; 広瀬 章*; M.Elia*
Physics of Plasmas, 4(11), p.4031 - 4034, 1997/11
被引用回数：2 パーセンタイル：8.87(Physics, Fluids & Plasmas)シューティングコードを用いて、トカマクの負磁気シア内部輸送障壁におけるプラズマパラメータに対する運動論的バルーニングモードの安定性解析を行った。負磁気シアに対して予想されていた、圧力勾配パラメータに関する第2安定領域が、シューティング距離を長くとることにより消失し得ることを示した。トロイダルモード数が比較的低く、周波数100kHz以下のモードが高圧力及び高密度勾配によって特徴付けられる輸送障壁の近傍でのみマージナルに不安定となることを明らかにした。
広瀬 章*; 山極 満
Canadian Journal of Physics, 75(9), p.599 - 604, 1997/09
シャフラノフシフトの径微分が長波長運動論的バルーニングモード及び捕捉電子ドリフトモードに対して強い安定化効果をもつことを明らかにした。負磁気シア及び大きなバルーニングパラメータによって特徴付けられるトカマクの内部輸送障壁はこれらの圧力勾配駆動モードの影響を受けないと思われる。
