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論文

ナトリウム-水反応現象解析コードSERAPHIMに対する非構造格子用解析手法の適用

内堀 昭寛; 渡部 晃*; 高田 孝; 大島 宏之

日本機械学会論文集(インターネット), 84(859), p.17-00394_1 - 17-00394_6, 2018/03

Na冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管破損時に形成される隣接伝熱管周りのウェステージ環境を評価するため、Na側で生じる圧縮性多成分多相流及びNa-水化学反応を対象とした機構論的数値解析コードSERAPHIMを開発している。従来のSERAPHIMコードは差分法を用いているが、本研究では、伝熱管の存在する複雑形状領域に対して解析精度を向上することを目的に非構造格子に対応した解析手法を開発し、SERAPHIMコードに組み込んだ。組み込み後SERAPHIMコードにより不足膨張噴流実験の解析を実施した結果、解析結果における圧力分布が実験結果と一致することを確認した。また、Na中へ水蒸気が噴出する現象を対象とした試解析も実施し、妥当と考えられる解析結果を得た。

報告書

高速炉蒸気発生器伝熱管のターゲットウェステージ現象解明実験; 流れを伴う高温水酸化ナトリウム環境での腐食実験

梅田 良太; 下山 一仁; 栗原 成計

JAEA-Technology 2017-018, 70 Pages, 2017/08

JAEA-Technology-2017-018.pdf:9.67MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器では、低圧のナトリウムから伝熱管を介して高圧の水/蒸気に熱交換される。その伝熱管が破損して水蒸気が漏えいした場合、発熱反応を引き起こし、ナトリウム中に反応ジェットが形成される(ナトリウム-水反応)。反応ジェットは高温・高圧噴流で高アルカリ環境を形成し、この環境に曝された隣接伝熱管は、局所的な減肉により損傷を受け(ターゲットウェステージ)、SG内での影響範囲が拡大する可能性がある。本報告書では、ターゲットウェステージ現象解明を目的として、ナトリウム-水反応時の主要な反応生成物である高温の水酸化ナトリウムと副次的な生成物である酸化ナトリウム(試料)を用いて、ターゲットウェステージの環境因子(試料温度、衝突速度、試料組成割合等)を分離評価できる実験装置及び実験手法を開発した。また、開発した実験装置を用いて流れを伴う高温水酸化ナトリウム及び酸化ナトリウム環境下における腐食実験を実施し、腐食特性に及ぼすターゲットウェステージの環境因子の影響を定量的に評価するとともに、平均腐食速度とウェステージ環境因子との関係を定式化した。

報告書

蒸気発生器における伝熱管破損時長時間事象進展解析コードLEAP-IIIの開発

内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之

JAEA-Research 2017-007, 61 Pages, 2017/07

JAEA-Research-2017-007.pdf:4.3MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器に対する安全評価では、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが必要である。既往研究において、ウェステージ型破損伝播を伴う長時間事象進展解析コードLEAP-IIが開発されたが、将来炉の新型SGでは水・蒸気系の高温・高圧化が指向されていることから、高温ラプチャ型破損伝播も評価対象に含めることが重要な課題となっている。そこで、本研究では高温ラプチャの発生有無を評価する解析モデルを構築し、LEAP-IIコードへ導入した。本解析モデル導入後の解析コードをLEAP-IIIとした。本解析モデルの機能確認として、伝熱管群の存在する体系におけるナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施した。本解析では水リーク管周辺における模擬伝熱管で高温ラプチャが発生する結果が得られ、解析モデルが正しく機能し、なおかつ保守的な評価結果を与えることを確認した。

報告書

高クロム鋼伝熱管の急速加熱ラプチャ実験

梅田 良太; 栗原 成計; 下山 一仁

JAEA-Technology 2016-030, 50 Pages, 2016/12

JAEA-Technology-2016-030.pdf:5.22MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管が貫通破損した場合、高温・高速かつ高アルカリ雰囲気の反応ジェットが生成される(ナトリウム-水反応)。反応ジェットが隣接する伝熱管全体を覆うと、伝熱管の高温化によって機械的強度が低下し、伝熱管内圧で膨出破損に至ることがある(高温ラプチャ)。高温ラプチャの評価では、伝熱管温度に相当する伝熱管材料のクリープ強度を材料強度の基準値(破損クライテリア)としており、内圧による管壁のフープ応力と当該破損クライテリアを比較することで破損を判断する。このため、高温ラプチャ現象を模擬した伝熱管破損実験から得られる知見を踏まえて、破損クライテリアの妥当性を確認することが非常に重要である。本報告書では、原子力機構が所有する伝熱管破損模擬試験装置(TRUST-2)を用いて、高クロム系鋼の細径伝熱管の単管試験体及び密着型の二重試験体を対象に、最高1500Kまでの超高温条件で内圧加圧型の急速加熱伝熱管ラプチャ実験を行い、破損形態や破損強度特性などを明らかにするとともに、破損クライテリアの妥当性を検討した。

論文

Behavior of entrainment droplet formed by high velocity air jet flow in stagnant water

赤羽 正彰*; 堀木 幸代*; 刑部 真弘*; 小泉 安郎; 内堀 昭寛; 大野 修司; 大島 宏之

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 7 Pages, 2015/05

高速炉蒸気発生器の伝熱管破損時において、隣接伝熱管ウェステージの主な要因となる高速気体噴流中の液滴挙動を実験から調査した。実験では、水中に高圧空気を噴出させ、噴流中にエントレインされた液滴を高速度カメラにより可視化するとともに、撮影画像を処理することにより液滴速度の計測を行った。可視化画像より、噴流界面からフィラメント状に液体が巻き込まれて液滴が発生する様子を確認した。液滴速度の計測から、噴流軸方向成分の速度は空気噴出速度の上昇とともに増大する挙動や液滴が発生した後噴流により加速される挙動を示すデータを得ることができ、隣接伝熱管ウェステージに関する現象解明及び評価手法の検証に有用な知見を得た。

論文

Development of a wastage environment evaluation model for a sodium-water reaction analysis code SERAPHIM

内堀 昭寛; 大島 宏之

Proceedings of 9th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-9) (CD-ROM), 6 Pages, 2014/11

Na冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管破損時に形成される隣接伝熱管周りのウェステージ環境を評価するため、Na側で生じる圧縮性多成分多相流及びNa-水化学反応を対象とした機構論的数値解析コードSERAPHIMを開発している。本研究では、ウェステージ環境評価モデルの一つとして液滴エントレインメント・輸送モデルを開発し、その基本検証のため基礎的な液滴エントレインメント実験の解析を実施した。その結果、本解析モデルが液滴エントレインメント終了までの時間や液滴発生時の圧力変動等の実験結果を概ね良好に再現し、モデルの基本的な妥当性を確認した。

論文

Numerical quantification of self-wastage phenomena in sodium-cooled fast reactor

Jang, S.*; 高田 孝; 山口 彰*; 内堀 昭寛; 栗原 成計; 大島 宏之

Proceedings of 9th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-9) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/11

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管の微小亀裂が徐々に拡大するセルフウェステージ現象について、多次元解析コードSERAPHIMを用いた数値解析(定量化)を実施し、拡大後の亀裂サイズを調査した。まず、ナトリウム-水反応によって生じるセルフウェステージ現象を再現するための複数ステップの数値解析手法を考案した。これに基づき、亀裂近傍の化学反応を伴う熱流動特性を得るための2次元解析を実施した。伝熱管壁のウェステージ量は温度と水酸化ナトリウム濃度をパラメータとしたアレニウス型評価式から求め、ウェステージ後の構造部形状に整合するように解析メッシュを再構築した。以上の手順を繰り返すことで評価した亀裂拡大後サイズ及び形状が実験結果と一致することを確認した。

報告書

FBR冷却系における流体物性変化を伴う流動現象に関する研究 - 物性変化を伴う流動現象モデル - $$sim$$先行基礎工学分野に関する平成11年度報告書$$sim$$

岡本 孝司*; 班目 春樹*

JNC-TY9400 2000-016, 90 Pages, 2000/06

JNC-TY9400-2000-016.pdf:2.53MB

FBR冷却系に於いて、蒸気発生器内でのナトリウム-水反応が安全上問題となる。この反応では、化学反応による流体の物性変化が流れ場に強く影響するため、非線形性が大きくその挙動の予想は困難である。本研究では、このように物性変化が大きな反応性流れ場の挙動を解明することを目的とし、ナトリウム-水反応を模擬した試験流体の流動特性に関して、実験的検討及び数値解析的検討を平成11,12年度の2ヶ年にわたり実施する。平成11年度研究では、実験的検討として緩やかな化学反応を伴う流れ場の速度,濃度の同時計測技術を開発した。速度場については、既存のPIV(Particle Image Velocimetry)手法を用いる。また濃度分布に関してはpH分布の計測に着目し、発光強度に関しpH依存性の有無を有する2種類の蛍光染料を同時に用いたDELIF(Dual Emission LIF)手法を開発した。開発した計測技術を用い、2種類の蛍光塗料としてQuinineとRhodamine6Gを用いることにより、酢酸水-水,アンモニア水-水,アンモニア水-酢酸水を用いた軸対称噴流場での速度,pH濃度場の同時計測を行った結果、これらの同時計測が可能でありかつ高い精度でpH濃度場の計測が可能となった。また、一連の実験により二液二層流体の混合に於いて、拡散が抑制される傾向が見られることが判明した。本報告書は、先行基礎工学分野に関する東京大学とサイクル機構との共同研究のうち、東京大学で実施したものについてまとめたものである。

報告書

改良9Cr-1Mo鋼の超高温強度特性

加藤 章一; 吉田 英一; 青砥 紀身

JNC-TN9400 2000-042, 112 Pages, 2000/03

JNC-TN9400-2000-042.pdf:8.55MB

FBR蒸気発生器の伝熱管破損に起因する隣接伝熱管への破損メカニズムのひとつとして、ナトリウム-水反応により急速に伝熱管壁が加熱され破断に至るいわゆる高温ラプチャ現象が考えられる。本研究では、改良9Cr-1Mo鋼に関する高温ラプチャ評価の基礎データとして反映するため、超高温領域における引張及びクリープ試験を実施した。引張試験におけるひずみ速度は10%/min$$sim$$10%/sec、クリープ破断時間は最長277secである。また、試験温度は700$$^{circ}C$$$$sim$$1300$$^{circ}C$$である。本試験において得られた結果を要約すると、以下のとおりである。(1)改良9Cr-1Mo鋼について、ひずみ速度と引張強度との関係及び数分以内の極端時間のクリープ破断強度に関する評価データを取得した。(2)上記取得データに基づき、Mod.9Cr-1Mo鋼伝熱管の構造健全性評価に必要なクリープ破断式を提案した。(3)改良9Cr-1Mo鋼の超高温域における引張強度及びクリープ強度は、「もんじゅ」伝熱管材料の2・1/4Cr-1Mo鋼よりも高い値を示し、優れた強度特性を有していることがわかった。

報告書

ANALYSIS OF LARGE LEAK SODIUM-WATER REACTION IN LARGE FBR

田辺 裕美; 浜田 広次

PNC-TN9410 91-028, 14 Pages, 1991/01

PNC-TN9410-91-028.pdf:0.36MB

None

報告書

原型炉用過熱器伝熱管材SUS321のウェステ-ジ試験

宇佐美 正行*; 田辺 裕美*; 黒羽 光男

PNC-TN9410 86-023, 112 Pages, 1986/03

PNC-TN9410-86-023.pdf:6.08MB

高速増殖原型炉「もんじゅ」の蒸気発生器において万一水リークが発生した場合の事故評価を行う上で、ナトリウム-水反応による伝熱管の損耗(ウェステージ)挙動を把握することは重要である。このため、過熱器材であるSUS321鋼を対象として、動燃大洗工学センター内の小リーク・ナトリウム・水反応試験装置(SWAT-2)及び大リーク・ナトリウム-水反応試験装置(SWAT-1)を用いて、それぞれ小リーク及び中リーク領域でのウェステージ試験を実施した。試験パラメータは水リーク率、ノズル-ターゲット間距離、ナトリウム温度である。主な結果は以下のとおり。 1. 小リーク領域(水リーク率:0.1$$sim$$10g/sec)でのSUS321鋼のウェステージ率は2・1/4Cr-1Mo鋼及びSUS304鋼と同様L/D(L:ノズル・ターゲット間距離、D:ノズル孔径)に依存し、L/D=20$$sim$$35にピークを有する。このSUS321の最大のウェステージ率は同じオーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304の最大値の約1/2で、SUS321の方が耐ウェステージ性に優れている。2. 中リーク領域(水リーク率29及び145g/sec)のSUS321鋼のウェステージ率はL/Dに依存し、L/D=20$$sim$$50にピークを有する。これは2・1/4Cr-1Mo鋼の最大ウェステージ率に比べ約1/4で、耐ウェステージ性に優れている。 3. これらの結果を基に小リーク及び中リーク領域のそれぞれに適用できるウェステージ率評価実験式を導き出した。

報告書

コ-ルドトラップによるナトリウム-水反応生成物除去試験 : SWAT-3RECT-II試験

田辺 裕美*; 渡辺 智夫*; 宇佐美 正行*

PNC-TN941 85-127, 92 Pages, 1985/08

PNC-TN941-85-127.pdf:3.25MB

高速増殖原型炉「もんじゅ」及びそれに続く大型炉の蒸気発生器でのナトリウム-水反応事故後の運転法の確立のため,蒸気発生器安全性総合試験装置(SWAT―3)を用いた反応生成物除去試験運転(RECT―2)を実施した。これはRunl8注水試験で発生し,ナトリウム系内に残留した反応生成物を,コールドトラップを循環する高温ナトリウムによって洗浄・捕獲が可能な事を確認するものであった。大量の不純物の捕獲による閉塞を恐れてコールドトラップはメッシュレス型の物を用いた。純化運転は1984年4月4日より開始し主循環系ナトリウムのプラグ温度が187$$^{circ}C$$まで低下した4月26日に打切った。本試験で得られた主な結果は以下の通りである。1)試験後の観察ではEV下部やナトリウム出口配管に沈析していた反応生成物は完全に除去されていた。2)この事から,42kgの注水によって生じた生成物のうち高温ドレン後も系内に残留した14kg-H/2Oのほとんどが本運転で除去されたと結論される。3)しかし,スタグナント部やクレヴィス部を模擬した試験体中のNaOHは試験後も一部残っており,このような部分に侵入した微量生成物の除去は高温ナトリウムの循環だけでは不充分である。4)酸素の物質移動係数として2$$times$$10$$times$$-4〔g/(cm$$times$$2・Hrppm)〕が得られた。5)コールドトラップによる生成物除去を効率的に行なうにはメッシュレスタイプで極端な縮流構造を避けるなど,閉塞しにくく,また容易に閉塞物除去可能な構造が必須である。このような点に注意すれば一層のスピードアップは可能であり,本経験により「もんじゅ」でのナトリウム-水反応事故後の処置法の具体的な計画策定が可能となった。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,38; 長時間事象進展解析手法の開発

浜田 広次; 内堀 昭寛; 大島 宏之

no journal, , 

蒸気発生器(SG)伝熱管破損時の安全評価を目的として、長時間事象進展解析コード(LEAP-III)の開発を進めている。LEAP-IIIへ組み込んだ高温ラプチャ評価モデルを用いた試解析を実施し、実験結果の再現性を評価した。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,35; セルフウェステージ実験による損耗進展挙動

下山 一仁; 栗原 成計; 菊地 晋; 梅田 良太; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器伝熱管に生じた貫通亀裂から水/蒸気が漏えいすると、ナトリウムと水との化学反応に伴い伝熱管外表面より腐食が進行する(セルフウェステージ)。この現象を明らかにするため、本報では、高温ナトリウム中でセルフウェステージ実験を行い、微細亀裂の損耗進展速度に対する損耗形態や水漏えい量の影響を評価した結果について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,33; 高温NaOH噴射基礎実験による流動加速型腐食評価

梅田 良太; 栗原 成計; 下山 一仁; 菊地 晋; 大島 宏之

no journal, , 

高速炉蒸気発生器におけるナトリウム(Na)-水反応時の隣接管ウェステージ現象を解明するため、主要反応生成物である高温の水酸化ナトリウム(NaOH)や酸化ナトリウム(Na$$_{2}$$O)を用いた高温NaOH噴射基礎実験を実施し、最大減肉速度に及ぼす試料/材料温度、試料組成割合及び試料速度の影響を定量評価した結果について報告する。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,37; 機構論的解析手法の実規模条件に対する適用性検証

内堀 昭寛; 大島 宏之

no journal, , 

高速炉蒸気発生器の伝熱管破損時事象を評価するため、ナトリウムと水の化学反応及び圧縮性多成分多相流現象に対する機構論的数値解析コードSERAPHIMを開発している。本研究では、SERAPHIMの実規模条件に対する適用性検証を目的としてナトリウム中水蒸気噴出実験の解析を実施した。実験結果との比較から、ウェステージ発生位置や反応ジェットによって形成された温度場を再現できることが分かり、SERAPHIMが実機条件下におけるウェステージ環境を評価可能であることを確認した。

口頭

高速炉蒸気発生器における伝熱管破損事象に関する研究,30; 4か年の研究成果の総括

大島 宏之; 栗原 成計; 山口 彰*; 高田 孝*; 奈良林 直*; 出口 祥啓*

no journal, , 

化学的に活性なナトリウム(Na)を冷却材とする高速炉特有の課題である蒸気発生器(SG)伝熱管破損時のNa-水反応現象は、観察・計測の困難さからこれまでそのメカニズム解明に至っておらず、実規模試験による実証という手段で安全評価に対応してきた。これに対して本研究開発では、合理的な安全防護と財産保護、社会的受容性の向上に資することを目的として、体系的な実験や数値解析によりメカニズム解明を行い、汎用性の高いマルチフィジックス解析評価システムを開発した。本報では、4か年に亘る研究成果を総括する。

口頭

高速炉蒸気発生器におけるナトリウム-水反応を模擬した急速加熱伝熱管ラプチャ実験

梅田 良太; 栗原 成計; 下山 一仁

no journal, , 

ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器では、伝熱管破損に起因した高温ラプチャによって破損規模が拡大する可能性がある。高温ラプチャ評価では、伝熱管温度に相当するクリープ強度を材料強度基準値(破損クライテリア)として、管壁のフープ応力との大小比較により破損を判断するため、材料強度基準値の妥当性確認が非常に重要となる。本研究では、超高温域(最大1300$$^{circ}$$C)及び細径の単管(9Cr-1Mo鋼)を対象に、Na-水反応ジェットによって熱的影響を受けた伝熱管の急速加熱を模擬した伝熱管ラプチャ実験を行い、破損応力を定量評価しつつ、既存の材料強度基準値の妥当性を確認した。

口頭

高速炉蒸気発生器でのナトリウム-水反応を模擬した伝熱管ラプチャ実験

梅田 良太; 栗原 成計; 下山 一仁

no journal, , 

高速炉蒸気発生器ではナトリウム(Na)-水反応時に形成される高温の反応ジェットの熱的影響により、健全な隣接伝熱管の機械的強度が低下し、内圧で破損(高温ラプチャ)する可能性がある。本報では、二重伝熱管での高温ラプチャ現象を模擬した急速加熱伝熱管ラプチャ実験を行い、高温ラプチャ評価時の破損クライテリアとなる材料強度基準値の適用性を評価した結果について報告する。

口頭

ナトリウム-水反応におけるセルフウェステージ現象の要因分析

Jang, S.*; 山口 彰*; 高田 孝; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器内の伝熱管破損時に生じるナトリウム-水反応によるセルフウェステージ現象(自孔拡大)は、様々の要因が関係している複雑な現象である。本研究では、セルフウェステー現象に関係する要因間の相関図を構築し、DEMATEL法により現象に対する支配要因の抽出を行った。

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