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論文

Investigating eutectic behavior and material relocation in B$$_{4}$$C-stainless steel composites using the improved MPS method

Ahmed, Z.*; Wu, S.*; Sharma, A.*; Kumar, R.*; 山野 秀将; Pellegrini, M.*; 横山 諒*; 岡本 孝司*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 250, p.127343_1 - 127343_17, 2025/11

The study aims to measure boron concentration through the unidirectional diffusion of boron within the stainless steel (SS) layers while evaluating the updated model ability to replicate melt relocation behavior and geometry. In the current MPS simulations, one scenario employed dummy walls as heat sources, while another scenario used SS surface particles as heat sources to avoid interference with the melt flow as it reached the bottom of the specimen.

論文

材料の熱膨張差を利用した受動式クリープ疲労試験技術の確立に関する研究

若井 隆純; 安藤 勝訓; 岡島 智史; 豊田 晃大; 小沼 輝充*; 高橋 亮耶*; 浅山 泰

第29回動力・エネルギー技術シンポジウム予稿集(インターネット), 5 Pages, 2025/06

高速炉が設計で想定される期間を超えて供用される場合における構造健全性評価に利用可能な材料監視試験技術として、主として材料の熱膨張差を利用した受動式クリープ疲労試験技術を確立するための研究に取り組んでいる。これまでに、有限要素法による数値解析を援用して設計・製作した試験体を用いた実験を実施し、試験片を座屈させることなく長時間データを取得可能である見通しを得ている。本報では、これらの解析及び実験に加え、実炉への適用を見据えた試験体の改良について述べる。

論文

Electronic approach to understand the wettability of surface treated titanium with liquid sodium

浪江 将成; 斉藤 淳一; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*

Vacuum, 234, p.114038_1 - 114038_9, 2025/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.00(Materials Science, Multidisciplinary)

Wettability of titanium (Ti) and surface-modified (Oxidized or Fluorinated) Ti with liquid sodium (Na) were investigated via experiments and theoretical calculations. From the experimental results, a sliding angle of Na droplet on oxidized Ti was smaller than that on untreated Ti, indicating the worsening of wettability by oxidation. In contrast, the sliding angle of Na droplet on fluoridated Ti was larger than that on untreated Ti, indicating an improvement in wettability by fluorination. Additionally, the cluster models for the interface between Na droplets and treated or untreated Ti were constructed for theoretical calculations of electronic states at the interface, covalent and ionic bonds at the interface were evaluated from the calculation results. The sliding angles obtained in the wettability tests and the strength of covalent bonding at the interface showed no correlation, but good correlation was observed between the sliding angles and ionic bonding at the interface. Thus, the wettability of surface-modified Ti with liquid Na can be theoretically understood based on the atomic interactions at the interface.

論文

Radiation heating effects on B$$_{4}$$C-SS eutectic melting and its relocation behaviour

Ahmed, Z.*; Sharma, A. K.*; Pellegrini, M.*; 山野 秀将; 岡本 孝司*

Arabian Journal for Science and Engineering, 50(5), p.3361 - 3371, 2025/03

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.00(Multidisciplinary Sciences)

This study pioneers the use of radiative heating for high-resolution visualisation and quantification of the eutectic melt composition, providing a novel approach to observing the melting and candling phenomena. Key findings include two distinct failure processes: SS cladding detachment forming molten droplets and fragmentation of B$$_{4}$$ pellets, with sintering observed in B$$_{4}$$ powder.

報告書

軟X線領域のXAFS測定によるホウケイ酸ガラスの構造評価,4(共同研究)

永井 崇之; 岡本 芳浩; 柴田 大輔*; 小島 一男*; 長谷川 毅彦*; 佐藤 誠一*; 深谷 茜音*; 畠山 清司*

JAEA-Research 2024-014, 54 Pages, 2025/02

JAEA-Research-2024-014.pdf:7.02MB

軟X線領域におけるXAFS測定は、X線の透過率が低くなるため、測定試料の表層を対象とした化学状態の評価に適している。本研究では、模擬廃棄物ガラスの凝固した表層とガラス内部の差異を確認することを目的に、ガラス構成元素であるホウ素(B)、酸素(O)、ナトリウム(Na)及びケイ素(Si)のK吸収端と、廃棄物成分のセリウム(Ce)のL$$_{3}$$吸収端のXANESスペクトルを測定した。その結果、BのK吸収端XANESスペクトルから、凝固したガラス表層でのB-Oの4配位sp$$^{3}$$構造(BO$$_{4}$$)の割合がガラス内部の切断面と比べて高く、凝固表層の耐水性が向上することが期待される。一方、OのK吸収端XANESスペクトルから、凝固したガラス表層のO存在量がガラス内部の切断面より低く、凝固表層にアルカリ金属元素が集中する可能性が予想された。しかしながら、凝固表層と切断面のNaのK吸収端スペクトルに差は認められず、SiのK吸収端XANESスペクトルも凝固表層とガラス内部で違いはなかった。また、CeのL$$_{3}$$吸収端XANESスペクトルから、凝固したガラス表層のCe原子価がガラス内部と比較して酸化していることを確認した。

論文

Development of a dissolution method for analyzing the elemental composition of fuel debris using sodium peroxide fusion technique

中村 聡志; 石井 翔*; 加藤 仁*; 伴 康俊; 蛭田 健太; 吉田 拓矢; 上原 寛之; 小畑 裕希; 木村 康彦; 高野 公秀

Journal of Nuclear Science and Technology, 62(1), p.56 - 64, 2025/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:57.00(Nuclear Science & Technology)

過酸化ナトリウム(Na$$_{2}$$O$$_{2}$$)融解処理法を用いた燃料デブリの元素組成分析法を検討した。融解処理条件として、2種類の模擬デブリ試料((Zr,RE)O$$_{2}$$の固溶体及び溶融炉心-コンクリート相互作用生成物(MCCI)など)を用いて融解処理温度及びるつぼ材について検討した。検討の結果、るつぼ材にNiを用いて、923Kで融解処理を行うことが最適な処理条件であることが示唆された。これを受けて、TMI-2デブリを用いたコンクリートセルでの実証試験に適用し、燃料デブリの完全溶解を確認した。得られたTMI-2デブリ溶解液の元素組成は再現性に優れ、SEM/WDX及びXRDによる分析結果と良好な一致を示し、妥当性を確認した。したがって、本手法は燃料デブリの元素組成分析において、有効であると考えられる。

論文

Phase transitions of sodium peroxide investigated by DSC

菊地 晋; 古賀 信吉*

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 150(1), p.585 - 590, 2025/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.00(Thermodynamics)

The objective of this study was to ascertain the thermodynamic parameters associated with the phase transitions of Na$$_{2}$$O$$_{2}$$ through the use of differential scanning calorimetry (DSC). Due to the high chemical reactivity of Na$$_{2}$$O$$_{2}$$ at elevated temperatures, particular precautions were necessary for the DSC measurement, including the selection of an appropriate crucible material, the preparation of a custom-made crucible with a specialized geometrical configuration, and the meticulous calibration of the recorded temperature and enthalpy change. Furthermore, all experimental procedures for the DSC measurement were required to be conducted under controlled atmospheric conditions of inert gas. Despite the aforementioned difficulties, we were able to successfully determine the transition temperatures and enthalpy changes associated with the structural phase transition and melting of Na$$_{2}$$O$$_{2}$$ using DSC. The reliability of these thermodynamic parameters was validated by comparing them with previously reported values.

論文

Evaluation of reaction rate distribution for shielding region in the prototype fast reactor Monju

毛利 哲也; 羽様 平; 片桐 寛樹*; 大釜 和也

Nuclear Technology, 211(1), p.143 - 160, 2025/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.00(Nuclear Science & Technology)

高速増殖原型炉「もんじゅ」で測定された反応率分布のうち、中性子しゃへい体領域での測定データの信頼性及び有用性について、核データにJENDL-4.0を用いた計算値との比較により検討した。高エネルギーの中性子に感度を持つ$$^{238}$$U(n,f)及び$$^{58}$$Ni(n,p)反応率の測定データは全て信頼できることを確認した。しゃへい体領域での測定値と計算値の差異は炉心領域に比べ大きくなるが、$$^{58}$$Ni(n,p)反応率については核データにJEFF-3.3を用いることで改善すること、$$^{238}$$U(n,f)反応率では700eV付近のエネルギー領域における$$^{238}$$U(n,f)断面積が差異に寄与していることを明らかにした。低エネルギーの中性子に感度を持つ$$^{235}$$U(n,f), $$^{239}$$Pu(n,f), $$^{238}$$U(n,$$gamma$$)及び$$^{197}$$Au(n,$$gamma$$)反応率については、下部しゃへい体領域で計算値との差異が比較的大きいが、しゃへい特性に求められる精度としては許容できること、径方向しゃへい体を含むその他の領域については全て信頼できることを確認した。

論文

Analysis methodologies for the evaluation of ATWS accident on SFR in JAEA; Mechanical consequences during expansion phase of the accident

小野田 雄一; 飛田 吉春; 岡野 靖

IAEA-TECDOC-2079, p.215 - 225, 2025/00

日本原子力研究開発機構(JAEA)におけるナトリウム冷却高速炉の炉心流量喪失時原子炉停止機能喪失事故の評価のための解析手法を、事故の膨張段階における機械的影響に焦点を当てて概略を説明する。JAEAでは、エナジェティクス評価のための解析手法を開発し、解析プロセスを次の3つに分けている:1)発生した熱を機械的エネルギーに変換するSIMMERコードを用いた解析、2)AUTODYNコードを用いた原子炉容器の構造応答解析、及び3)遮へいプラグ間の間隙から上部遮へいの上方に放出されるナトリウム量のPLUGコードを用いた解析。AUTODYNによる構造応答解析の入力として、SIMMERの計算により得られた、ガス(燃料,スティール蒸気及び核分裂ガス)と溶融炉心物質の混合物からなるCDA気泡の圧力-体積関係が使用される。PLUGの入力には、SIMMERの計算により得られた上部遮へい下面に作用する圧力履歴を使用する。これらの解析コードは、各計算の結果に大きな影響を与える支配的な現象の解析を通じて妥当性を確認している。これらJAEAが開発した解析手法を原子炉体系の解析に適用し、その適用性を確認した。

論文

A Preliminary study for boron mixing effect on severe accident scenario in sodium-cooled fast reactor

山野 秀将; 守田 幸路*

Proceedings of 13th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS13) (Internet), 9 Pages, 2024/11

This study is intended to investigate the effect of boron mixing in the degraded core using the eutectic reaction model between B$$_{4}$$C and SS. Two difference B$$_{4}$$C particle sizes were used to examine the effect of the boron dilution in the degraded core material mixture. The tight fluid-particle momentum coupling in the case of small size of B$$_{4}$$C particles allows boron to keep remaining in the core mixture in a longer time than in the case of nominal size of B$$_{4}$$C particles. However, this preliminary calculation showed that the upward motion of the eutectic melt in the molten core pool as well as the reactivity transient behavior caused by the molten core material relocation. This analysis indicated that the reactivity increase could be delayed thanks to the boron mixing.

論文

Validation study on SFR core bowing codes using Joyo ex-core experiment data; Multiple duct bowing benchmark

Wozniak, N.*; Shemon, E.*; Feng, B.*; 大釜 和也; 堂田 哲広; 上羽 智之; 二神 敏; 田中 正暁; 山野 秀将; 太田 宏一*; et al.

Proceedings of International Conference on Nuclear Fuel Cycle (GLOBAL2024) (Internet), 4 Pages, 2024/10

ナトリウム冷却高速炉の安全評価の精度向上のため、炉心変形による反応度を現実的に評価する手法の開発が必要である。炉心を構成する集合体の熱湾曲解析モデルの妥当性を確認することを目的に、「常陽」燃料集合体の複数ダクトの熱湾曲試験を対象としたベンチマーク解析を日米共同で実施した。解析結果と試験結果の比較から、両国の炉心湾曲コードは単列ダクトの熱湾曲を合理的に予測できることがわかった。

論文

Validation study on SFR core bowing codes using Joyo ex-core experiment data; Single duct bowing benchmark

大釜 和也; 堂田 哲広; 上羽 智之; 二神 敏; 田中 正暁; 山野 秀将; 太田 宏一*; 尾形 孝成*; Wozniak, N.*; Shemon, E.*; et al.

Proceedings of International Conference on Nuclear Fuel Cycle (GLOBAL2024) (Internet), 4 Pages, 2024/10

ナトリウム冷却高速炉の安全評価の精度向上のため、炉心変形による反応度を現実的に評価する手法の開発が必要である。炉心を構成する集合体の熱湾曲解析モデルの妥当性を確認することを目的に、「常陽」燃料集合体の単体ダクトの熱湾曲試験を対象としたベンチマーク解析を日米共同で実施した。解析結果と試験結果の比較から、両国の炉心湾曲コードは単体ダクトの水平変位の軸方向分布とダクトパッド部の接触荷重を合理的に予測できることがわかった。

論文

Development of safety design technologies for sodium-cooled fast reactor coupled to thermal energy storage system with sodium-molten salt heat exchanger, 2; Study of sodium-molten salt heat exchanger heat transfer performance

林 正明*; 中原 宏尊*; 白倉 翔太*; 山野 秀将

Proceedings of International Conference on Nuclear Fuel Cycle (GLOBAL2024) (Internet), 4 Pages, 2024/10

ナトリウム-溶融塩熱交換器を有する蓄熱式高速炉のリスク評価技術開発の一環として、熱伝達係数の相関式を用いて伝熱性能の簡易評価を実施した。評価技術を開発するため、熱交換器の部分モデルを用いてSTAR-CCM+による熱流動解析を実施した。ナトリウム-溶融塩熱交換器の性能評価技術を開発するととともに、伝熱向上方策効果を確認した。

論文

混合対流条件下の集合体圧力損失試験解析による熱流動解析コードSPIRALの妥当性確認

吉川 龍志; 菊地 紀宏; 田中 正暁

日本機械学会2024年度年次大会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2024/09

ナトリウム冷却高速炉の安全性強化方策である自然循環崩壊熱除去の採用にあたり、燃料集合体内における混合対流条件での圧力損失に対する浮力の影響を評価する必要がある。本報では、燃料集合体熱流動詳細解析コードSPIRALのHybrid型乱流モデルの妥当性確認として、低流量混合対流条件下での19本及び91本模擬燃料棒集合体水試験を対象に熱流動解析を実施し、浮力による集合体内の流速分布と温度分布への影響分析と、摩擦損失係数の比較によるHybrid型乱流モデルの圧力損失評価への適用性検討結果を報告する。

論文

移流渦を伴うガス巻込み水流動試験解析へのAMR法の適用

松下 健太郎; 江連 俊樹; 藤崎 竜也*; 今井 康友*; 田中 正暁

日本機械学会2024年度年次大会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2024/09

ナトリウム冷却高速炉の炉上部プレナム部設計に向けて、自由表面渦によるガス巻込み現象の評価手法が開発されている。この評価手法では、評価対象領域における三次元流動解析から得られた流速場に渦モデルを適用することによって渦のくぼみを予測する。本研究では、解析メッシュを自動的に作成することを目的に、移流渦を伴う矩形流路におけるガス巻込み水試験を対象にAdaptive Mesh Refinement(AMR)法の適用を検討した。AMR法を適用する初期メッシュのサイズをパラメーターとして変更して、AMR法を適用して得られた解析メッシュを用いて過渡解析を実施した。その後、リファレンスとなる一様詳細メッシュでの過渡解析結果と、渦形成に関連する物理量と計算にかかる負荷について比較した。その結果、メッシュ数の変化がAMR法による詳細化の終了判定の指標にできる見通しが得られ、AMR法の適用によって過渡解析にかかる計算負荷を低減可能であることが確認された。

論文

金属燃料ナトリウム冷却高速炉の安全解析に関する研究; プロジェクト全体概要

山野 秀将; 二神 敏; 堂田 哲広; 田上 浩孝; 内堀 昭寛; 尾形 孝成*; 太田 宏一*

日本機械学会2024年度年次大会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2024/09

Japan Atomic Energy Agency and Central Research Institute of Electric Power Industry have been conducting a project to develop safety analysis methodologies on metal fuel sodium-cooled fast reactors in the area of advanced reactors under the framework of the U.S.-Japan bilateral commission on civil nuclear cooperation since 2018. The project encompasses analysis methodology development and experiment on core bowing reactivity analysis, core damage accident analysis, and mechanistic source-term analysis. This report describes the project overview and the outcomes of five-year activities in Phase 1: 2018-2022.

論文

Applicability of fluorine gas surface treatment to control liquid sodium wettability

浪江 将成; 斉藤 淳一; 池田 明日香; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*

Surfaces (Internet), 7(3), p.550 - 559, 2024/09

The iron (Fe) specimens selected as the substrate metal for this study were surface-treated using fluorine gas, and their wettability with liquid sodium (Na) was evaluated using the sliding angle. Additionally, the surface morphology and binding state were analyzed, and the applicability of wettability control with liquid sodium by fluorination was discussed using the analysis results. Fluorination formed a fluoride layer comprising FeF$$_{2}$$ and FeF$$_{3}$$ bonds on the iron surface. The composition of the fluoride layer varied, depending on the treatment conditions. The surface of the specimen that contains a lot of FeF$$_{3}$$ bonds had a small sliding angle for the liquid sodium droplet and was harder to wet than the untreated specimen. In contrast, the surface of the specimen that contains a lot of FeF$$_{2}$$ bonds had a large sliding angle for the liquid sodium droplet and was easier to wet than the untreated specimen. These results indicate that fluorination is an effective surface modification technique that can be applied to control the wettability of iron with liquid sodium.

論文

Study on eutectic melting behavior of control rod materials in severe accidents of sodium-cooled fast reactors, 2; Modeling of multi-phase eutectic reaction behavior

守田 幸路*; 山野 秀将

Proceedings of 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation, and Safety (NTHOS-14) (Internet), 12 Pages, 2024/08

本論文は、単価ホウ素(B$$_{4}$$C)とステンレス鋼(SS)間の共晶反応のための一般化モデルを記述する。また、固体状と液体状の共晶反応生成物とSSあるいはB$$_{4}$$Cとの反応についても記述する。さらに、熱物性データに基づく熱物性モデルについても報告する。

論文

Study on eutectic melting behavior of control rod materials in severe accidents of sodium-cooled fast reactors, 1; Project overview and progress until 2022

山野 秀将; 高井 俊秀; 江村 優軌; 福山 博之*; 東 英生*; 西 剛史*; 守田 幸路*; 中村 勤也*; Ahmed, Z.*; Pellegrini, M.*

Proceedings of 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation, and Safety (NTHOS-14) (Internet), 12 Pages, 2024/08

本発表はプロジェクト全体概要及び2022年度までの進捗概要について報告する。この論文における具体的成果は、初めての固化試験データを取得したことである。

論文

Formation behavior of gaseous iodine from sodium iodide under SFR severe accidental condition

菊地 晋; 近藤 俊樹; 土井 大輔; 清野 裕; 小川 賢吾*; 中川 武志*

Proceedings of 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Operation, and Safety (NTHOS-14) (Internet), 12 Pages, 2024/08

In this study, thermal behavior of NaI in different atmospheric conditions was investigated using thermal analysis technique to understand the formation behavior of gaseous iodine. Based on the results, it was revealed that the thermal behavior of NaI in inert atmosphere is phase change and approximately 10 mass% of I2 could be formed from NaI in 20 vol% oxygen atmosphere. The chemical equilibrium simulation was also performed to understand the mechanism of I2 formation. The estimated value of I2 formation in 20 vol% oxygen atmosphere was comparable to the result of thermal analysis.

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