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報告書

ポイズン付き冷減速材容器の熱流動解析,1; ポイズン板配置の検討

佐藤 博; 麻生 智一; 粉川 広行; 勅使河原 誠; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 2004-018, 23 Pages, 2004/03

JAERI-Tech-2004-018.pdf:2.42MB

日本原子力研究所と高エネルギー加速器研究機構が共同で建設を進めているMW級核破砕中性子源において、液体水素を用いる冷減速材は中性子強度やパルス特性などの中性子性能を規定する重要な機器である。減速材容器内の水素温度上昇は、中性子特性を敏感に変化させるため、ホットスポットの原因となる容器内の再循環流域や流れの停滞域の抑制が重要な設計要件となる。設置される3台の冷減速材のうちポイズン付き冷減速材は、容器内にポイズン板を置くため最も停滞域を生じやすい。そこで、基本となる容器内構造を提案し、汎用3次元熱流体解析コードSTAR-CDを用いて熱流動解析を行った。その結果、容器底部において、ポイズン板との間に5mm程度の隙間を設けることで再循環流域や流れの停滞域を抑制して、局所的な温度上昇を設計要求値以下に抑えられることを確認した。

報告書

米国SNSの安全概念の調査

小林 薫*; 神永 雅紀; 羽賀 勝洋; 木下 秀孝; 麻生 智一; 日野 竜太郎

JAERI-Review 2002-010, 52 Pages, 2002/05

JAERI-Review-2002-010.pdf:3.38MB

大強度陽子加速器計画において、物質・生命科学実験施設の安全概念を構築するときの参考とするため、Oak Ridge国立研究所で設計/建設が進められているSpallation Neutron Source (SNS)の安全確保の考え方について調査を実施した。SNSは非原子炉原子力施設に分類され、システム構成や機器の安全機能は米国エネルギー省の法令により放射線安全上の規制を受ける。SNSの放射線安全では、DOE Order 420.1 (施設安全)とDOE Order 5480.23 (安全解析報告書)を遵守する必要がある。本報告では、これらの規制の概要をまとめるとともに、これら規制を理解するうえで重要な概念である「放射性物質の量によって施設を分類する指標(ハザードカテゴリー)」と「地震等の自然現象災害に対して機器等に求める安全対策の指標(Performance Category)」を概説した。加えて、SNSの予備的安全解析報告書を参考にして、放射線安全の基本的な項目であるハザードカテゴリー,主要機器等の安全上の要求条件と機能等についてまとめた。

論文

核破砕中性子源用冷減速材容器の設計開発; 流動分布の測定および熱流動解析評価

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

日本原子力学会誌, 43(11), p.1149 - 1158, 2001/11

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

原研で開発を進めているMW規模の核破砕ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いる冷減速材は中性子性能に直接影響する重要な機器である。特に冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、冷減速材容器の設計ではホットスポットの発生要因となる再循環流や停滞流の発生などを抑制して円滑な流動を実現する必要がある。そこで、冷減速材容器の概念設計に反映するため、冷減速材容器を模擬した扁平モデル試験体を用いて、容器内の流動パターンをPIVシステムにより水流動条件下で測定した。その結果、衝突噴流に随伴する再循環流や流れの停滞流などの流動パターンを明らかにし、併行して実施した流動解析は測定した流動パターンをよく再現した。この結果をもとに実機用冷減速材容器内の熱流動解析を行い、2MW運転時において液体水素の温度上昇を3K以内に抑制できることを確認した。

報告書

冷減速材用プレモデレータの熱流動及び構造強度予備解析

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 2001-051, 22 Pages, 2001/08

JAERI-Tech-2001-051.pdf:4.51MB

原研で開発を進めているMW規模の核破砕ターゲットシステムでは、中性子性能の向上を目指して、液体水素冷減速材の周りには薄肉構造のアルミ合金製の軽水冷却型プレモデレータを設置する。このプレモデレータは、核破砕中性子源となるターゲット間近に設置する必要があり、核発熱を効果的に除去するために流れの停滞等のない平滑な軽水循環が不可欠である。また、軽水内圧に対して薄肉構造の健全性を確保する必要がある。予備的な熱流動解析を行った結果、円滑な流動を実現して、内部での軽水温度上昇を1$$^{circ}C$$以下に抑制できる見通しを得た。これにより、所定の中性子性能を確保できるものと考えられる。また、構造健全性については、構造強度解析結果をもとにして、アルミ合金の許容応力条件を満たすための方策を提案した。

報告書

Analytical study of narrow channel flow for a spallation target system design

Islam, M. S.*; 寺田 敦彦*; 木下 秀孝; 日野 竜太郎; 門出 政則*

JAERI-Tech 2001-044, 49 Pages, 2001/07

JAERI-Tech-2001-044.pdf:2.49MB

十分に発達した乱流域での水の熱伝達と圧力損失特性について高さ1.2mmの狭隘矩形流路内で2次元的に解析を行った。流路形状や流動条件は核破砕ターゲットシステムにおける陽子ビーム窓や固体ターゲット模擬した。解析は高レイノルズ数モデルの標準$$k-varepsilon$$モデルとRNG$$k-varepsilon$$モデルを用い、壁関数を利用してレイノルズ数(Re)が7,000~22,000の範囲で行った。熱伝達特性に関しては標準$$k-varepsilon$$モデルで得られたヌセルト数がDittus-Boelterの式とよく一致した。しかし、摩擦係数に関してはリブのついた管における値を再現しなかった。また、二つの乱流モデルで計算される摩擦係数に大きな違いはなく、ブラジウスの式の値とよく一致した。

論文

Thermal-hydraulic experiments and analyses on cold moderator

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

JAERI-Conf 2001-002, p.893 - 903, 2001/03

MW規模の核破砕ターゲットシステム開発において、超臨界水素を用いる冷減速材は世界最高の中性子性能を目指しており、この性能に影響を及ぼす局所的な水素温度の上昇を抑制する必要がある。冷減速材容器を実寸大で模擬したアクリル製試験体使用し、水流動条件下で実施した可視化実験及び流動解析の結果、PIVシステムで測定された流動パターンと解析結果とがよく一致し、容器内部の流動状況を把握することができた。温度分布解析結果からは、容器中央部の入口管周りの流れの停滞域で局所的な温度上昇が発生することがわかった。この温度上昇の原因となる流れの停滞域を抑制するため、入口管からの吹き出し流の効果を可視化実験及び解析で同様に確認したところ、吹き出し流によって再循環流領域を大幅に縮小できることがわかり、流れの停滞域を抑制できる見通しを得た。

論文

冷減速材容器内部の流動実験及び解析

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

可視化情報学会誌, 20(Suppl.2), p.175 - 178, 2000/10

原研で進めているMW規模の核破砕ターゲットシステムにおいて、減速材は中性子性能を左右する重要な機器である。特に、超臨界水素を用いる冷減速材は世界最高の中性子性能を目指しており、この性能に影響を及ぼす局所的な水素温度の上昇を抑制する必要がある。STAR-CDコードによる温度分布解析結果から、容器中央部の入口管周りの流れの停滞域で局所的な温度上昇が発生することがわかった。この温度上昇の原因となる流れの停滞域を抑制するため、入口管からの吹き出し流の効果を可視化情報で確認した。実験は、冷減速材容器を実寸大で模擬したアクリル製試験体使用して水流動条件下で実施した。流動パターンをPIVシステムで測定し、解析結果と比較した。実験及び解析結果から、吹き出し流によって再循環流領域を大幅に縮小できることがわかり、流れの停滞域を抑制できる見通しを得た。

報告書

冷減速材内流動特性の研究,3; 扁平モデルの流動パターン測定と解析

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 2000-018, p.49 - 0, 2000/03

JAERI-Tech-2000-018.pdf:3.24MB

原研で開発を進めているMW規模の核破砕ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いる冷減速材は中性子強度やパルス性能などに直接影響する重要な機器である。特に冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、設計ではホットスポットの発生要因となる再循環流や停滞流の発生などを抑制して円滑な流動を実現する必要がある。冷減速材容器の概念設計に反映するため、容器を模擬した扁平モデル試験体を用いて、容器内の流動パターンを水流動条件下で測定した。その結果、衝突噴流に随伴する再循環流や流れの停滞域などの流動パターンを明らかにし、併行して実施したSTAR-CDコードによる流動解析は測定した流動パターンをよく再現した。この結果をもとに実機用冷減速材の熱流動解析を行い、液体水素の温度上昇を3K以内に抑制できることを確認した。

報告書

Structural study of the cold moderator

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 石倉 修一*; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 2000-011, p.23 - 0, 2000/02

JAERI-Tech-2000-011.pdf:1.79MB

超臨界水素を用いる冷減速材は中性子強度やパルス性能などの中性子性能に直接影響する重要な機器である。冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、冷減速材容器の設計では再循環流や停滞流の発生などホットスポットの発生要因を抑制して円滑な流動を実現する必要がある。また、1.5MPa,20Kの超臨界水素条件の下で減速材容器の構造強度を維持する必要がある。冷減速材容器の簡易モデル試験体を用いて、入口噴流管による衝突噴流とその随伴流の流動パターンを水流動条件下で測定した結果、STAR-CDコードによる流動解析結果の流動パターンとよく一致した。また、冷減速材容器の薄肉構造における技術的な課題を明らかにするため、予備的な構造強度解析を行った結果、容器には112MPaの最大応力が生じることがわかった。

報告書

冷減速材内流動特性の研究,2; 流動パターン測定・解析と冷減速材容器内熱流動解析

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 99-049, 45 Pages, 1999/06

JAERI-Tech-99-049.pdf:2.62MB

原研で開発中のMW規模の核破砕ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いる冷減速材は中性子性能に直接影響する重要な機器である。冷減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、再循環流や停滞流などホットスポットの発生要因を抑制して円滑な流動を実現する必要がある。冷減速材容器の概念設計に反映するため、簡易モデル試験体を用いて入口噴流管による衝突噴流とその随伴流の流動パターンを水流動条件下で測定した。入口噴流管の位置が底面より10mm以上で噴流速度が1m/s以上では再循環流領域の高さは約50mmであり、STAR-CDによる流動解析結果はこの流動パターンをよく再現した。この結果をもとに実機用冷減速材容器内の予備的な熱流動解析を行い、水素の局所的な温度上昇を3K以内に抑制するための流動条件を明らかにした。

報告書

冷減速材内流動特性の研究,1; 流動パターンの測定と流動解析

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 99-014, 113 Pages, 1999/03

JAERI-Tech-99-014.pdf:6.26MB

ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いた冷減速材は中性子強度やパルス性能などの中性子性能に影響する重要な機器である。特に減速材容器内における水素温度の上昇が中性子収率に影響を与えるため、減速材容器の設計では再循環流や停滞流の発生を抑制して水素をスムーズに流動させる必要がある。そこで、減速材容器の概念設計に反映させるため、減速材容器を模擬した試験体を用いて、減速材入口管からの衝突噴流による流動状況を明らかにするために水による予備的な流動実験を行った。実験の結果、衝突噴流によって大きな再循環流が発生していることが確認でき、STAR-CDコードによる流動解析結果とよく一致した。これらの結果をもとに、減速材容器構造の概念設計をさらに推進させ最適な容器構造を明らかにするために、今後の熱流動実験計画を立案した。

報告書

RELAP5コードによる水銀流動基礎実験装置の過渡解析,1; モデル化と予備解析

木下 秀孝; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

JAERI-Tech 98-061, 55 Pages, 1999/01

JAERI-Tech-98-061.pdf:2.5MB

原研の中性子科学研究計画を推進するために、5MW核破砕ターゲットの設計を実用的な中性子性能と安全性の確保の観点から進めている。とくに安全性に関しては、ターゲットシステムの安全性の向上を目指してRELAP5を導入した。第1段階として、ポンプトリップや配管破断のような異常事象時におけるターゲットシステムの過渡挙動を、RELAP5にもともと組み込まれている水物性値を用いて解析を行った。ポンプトリップ時には、加熱部の急激な温度と圧力の上昇を防止するうえで、慣性力の大きいポンプが有効であること、また配管破断時には、破断孔径が1mmの場合には圧力降下や流出も緩やかであるが、完全破断の際には大きな圧力変動に伴い数秒で流出することが示された。これらの解析結果を基に、確証実験用のループ改造と、コードへの水銀物性値組み込みに着手した。

論文

冷減速材開発のための流動実験及び解析

麻生 智一; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*; 日野 竜太郎

可視化情報学会誌, 19(Suppl.2), p.127 - 130, 1999/00

原研で開発を進めている5MW規模の核破砕ターゲットシステムにおいて、超臨界水素を用いる冷減速材は中性子強度やパルス性能などの中性子性能に直接影響する重要な構成要素である。特に冷減速材容器内における核発熱による水素温度の上昇が中性子収率に影響するため、冷減速材容器の設計ではホットスポットの発生要因となる再循環流や停滞流を抑制して円滑な流動を実現する必要がある。そこで、冷減速材容器内の流動で重要な入口噴流管による衝突噴流とその随伴流の流動パターンを把握するため、減速材容器を模擬した扁平モデル試験体を製作してPIVにより水流動条件下で容器内の流動状況を明らかにした。また、並行してSTAR-CDコードによる流動解析を行い比較検討した。講演ではこれら実験結果及び解析結果について報告する。

論文

原研重イオンマイクロビーム装置の制御及びビーム計測

神谷 富裕; 湯藤 秀典; 田中 隆一

第5回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.116 - 119, 1992/07

宇宙用半導体素子のシングルイベント効果の機構解明及びヒット部位依存性評価のため製作された重イオンマイクロビーム装置は、マイクロビーム集束、ビーム照準及びシングルイオンヒットが可能なように設計されている。本装置の制御は、精密レンズ、ビームシフター、ファラデーカップ及びスリット等のビームライン機器の制御と、ビームスキャナー、2次電子検出器及びターゲットステージ等のターゲットシステムの制御に分けられ、それぞれ計算機を介して遠隔で行われる。このシステムを用いてビームサイズ計測やビーム照準が行われ、これまでに15MeVのNi$$^{4+}$$ビームで0.7$$times$$1.1$$mu$$m$$^{2}$$のスポットサイズが確認された。なお、シングルイオン検出器のオフラインでの調整が現在進められており、今後ターゲットシステムに組み込まれる予定である。

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