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論文

中性子ラジオグラフィによる混相流の可視化計測

呉田 昌俊

化学工学, 80(8), p.464 - 467, 2016/08

中性子ラジオグラフィは中性子を利用して物質内部を可視化計測する技術であり、X線ラジオグラフィ(レントゲン)と相補的な特長を持つ。本レビュー論文においては、その計測原理および適用事例、例えばエンジン内の潤滑油オイルの可視化、大強度陽子加速器施設J-PARC(共用中性子イメージング専用施設)を利用した最先端技術などについて、計測の次元毎に技術全体を網羅し整理した形で紹介する。

論文

中性子ラジオグラフィ

飯倉 寛; 酒井 卓郎; 松林 政仁

波紋, 25(4), p.277 - 282, 2015/11

中性子ラジオグラフィに関する入門講座として、原理の説明から、JRR-3に設置されている熱中性子ラジオグラフィ装置(TNRF)の概要や測定手法の説明、さらに実際に行われている応用研究や技術開発に関して簡潔に紹介したものである。中性子ラジオグラフィは非破壊分析技術として、学術研究だけでなく産業界への応用など、幅広い分野で利用されており、TNRFにおいては利用者の多様なニーズに対応すべく、様々な技術開発が行われてきた。本稿は、中性子利用の初心者に向けて、これらの概要をまとめたものである。

論文

エンジン内を駆け巡るオイルを可視化する

呉田 昌俊

波紋, 24(特別号), 2 Pages, 2014/11

本報では、中性子イメージング技術の基礎と利用例、中性子3次元CT技術による立体的観察と3次元測定、パルス中性子イメージングによる最先端技術について現状を纏める。運転中のエンジン内部の観察とオイル分布の計測は中性子イメージング技術を産業利用した一例である。その他、混相流の可視化や計測技術として利用されてきている。3次元観察技術はコンクリートの研究などに利用されている。J-PARCのパルス中性子を利用したイメージング技術は、従来技術では困難であった元素識別型イメージングや金属材料別イメージングなどを可能としている。また、新たにパルス中性子イメージング専用の共用装置が整備中であることを紹介する。

論文

中性子の産業利用の現状と今後の展望 / 利用研究の現状; 中性子ラジオグラフィ

松林 政仁; 川端 祐司*

放射線と産業, (107), p.4 - 15, 2005/09

中性子の利用はこれまで、生命科学, 物質科学などの基礎・応用研究を中心として進められてきたが、大強度陽子加速器施設(J-PARC)計画を契機として産業利用の重要性が再認識され、新たな取り組みが始められようとしている。国内の代表的研究炉であるJRR-3の施設紹介とともに産業利用の現状を報告し、さらに企業が施設を利用する場合の制度について紹介を行った。加えて、具体的利用研究の現状として中性子ラジオグラフィについて、JRR-3, KUR(京都大学研究用原子炉), 住重試験検査サイクロトロン中性子源を対象とした産業利用の実例を紹介する。

論文

茨城県における中性子産業利用促進への取組み,非破壊分析・可視化研究会

松林 政仁; 安田 良; 丹治 輝; 宮田 賢; 松江 秀明; 中西 友子

第5回放射線による非破壊評価シンポジウム講演論文集, p.35 - 36, 2005/02

茨城県では平成16年に中性子の産業利用を促進するための中性子利用促進研究会が立ち上げられた。その中の個別研究会として「非破壊分析・可視化研究会」があり、中性子を利用した即発$$gamma$$線分析法による非破壊微量分析及び中性子ラジオグラフィによる非破壊可視化をテーマに地域企業を対象として講義,講演などを通じた啓蒙活動並びにモデル実験に取り組んでいる。本発表ではこれまでの研究会の活動を紹介する。

論文

Application of neutron imaging plate and neutron CT methods on nuclear fuels and materials

安田 良; 松林 政仁; 仲田 祐仁; 原田 克也; 天野 英俊; 笹島 文雄; 西 雅裕; 堀口 洋二

IEEE Transactions on Nuclear Science, 52(1), p.313 - 316, 2005/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:40.84(Engineering, Electrical & Electronic)

本稿では、中性子イメージングプレート(IP)法及び中性子断層法など先進的な中性子ラジオグラフィ法を核燃料に適用した結果について報告する。試験は、JRR-3Mの中性子ラジオグラフィ第二撮影室TNRF-2において行った。試験に用いた燃料ピンは、形状・寸法及び濃縮度が制御・調整されたペレットを装荷している。中性子IP法では、燃料ピンの透過像を撮影し、CT法では、断面像を取得した。試験の結果、IP法・CT法ともに燃料ピン内のペレットの良好な画像を取得できた。

論文

稠密14本バンドル内沸騰二相流の可視化

呉田 昌俊

可視化情報学会誌, 24(Suppl.1), p.265 - 268, 2004/07

稠密バンドル流路内を流れる沸騰流のボイド率を、中性子トモグラフィ技術で3次元分布を計測、高速度撮像中性子ラジオグラフィ技術で瞬時値分布を計測し、同一流動条件を多角的に可視化観察することで特徴的な現象を抽出した。この2技術をセット("3D"+"2D+Time")で使用した本実験で、以下の点が新たにわかった:(A)時間平均空間分布から高ボイド率スポットが最上流部の狭間隙部で観察された。一方、瞬時値の時系列観察では、正味の沸騰開始点は統計的に広く分布しており、定常的な高ボイド率スポットは認識できなかった。(B)時間平均空間分布から"Vapor Chimney"現象が観察された。この現象を、瞬時値の動画表示で連続性に注視して観察すると、三角形状の流路部に連続した蒸気通路が形成されているとは限らず、広い条件範囲で蒸気泡・スラグが群を成して間欠的に流れていることがわかった。

論文

3D measurement of void distribution of boiling flow in a tight-lattice rod bundle by neutron tomography

呉田 昌俊; 玉井 秀定

Proceedings of 5th International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2004) (CD-ROM), 10 Pages, 2004/06

低減速軽水炉炉心内のボイド率分布特性を調べるため、中性子ラジオグラフィ3次元計測技術(中性子トモグラフィ)を用いて、稠密7本バンドル試験体内を流れる沸騰流の詳細な3次元ボイド率分布を計測した。本試験体は、低減速軽水炉を模擬したもので発熱棒径が12mm、棒間ギャップが1mmである。本報では、中性子トモグラフィシステム,実験結果及び、サブチャンネル解析コードであるCOBRA-TFと実験値の比較結果に関して述べる。実験は、研究用原子炉JRR-3炉室内で実施し、新開発の中性子トモグラフィアルゴリズムにより空間解像度が0.1-0.2mm/pixelと高精細でボイド率の空間分布データを測定している。本実験結果から、液膜が狭い領域に集まりやすいこと,蒸気が流路中央部に集まりやすいことなどがわかった。また、COBRAコードはボイド率を高めに計算する傾向があることがわかった。

論文

中性子線による沸騰流の可視化と計測

呉田 昌俊; 星 芳幸; 山田 和幸*; 坂本 清隆*

日経サイエンス, 111 Pages, 2004/01

独自に開発した中性子ラジオグラフィ熱流動計測技術を用いて、燃料棒間ギャップが1mmの低減速軽水炉を模擬した金属製試験体内を流れる沸騰流を計測し、可視化した。本技術の開発により、これまで観察が不可能であった条件でのわずかな水や蒸気の分布と変化を0.1mmの空間分解能,1/1000秒の時間分解能で測定できるようになった。可視化手法として、物質を3次元空間で分類し、例えば「流路内の蒸気割合だけを表示」するMASK処理と呼ぶ3D可視化手法を開発した。また、液塊(水)のダイナミックな流動状況を把握するため、大量の時系列データを高速処理して3次元の動画表示を行った。本開発により、狭い領域に水が留まり易く、水は塊となって中心に近い程高速に流れること等が明らかとなった。(本件は、日経サイエンス主催のビジュアル・サイエンス・フェスタ2003のコンピューター・ビジュアリゼーション・コンテストにおいて入賞し、ポスター発表及び雑誌に掲載されることとなった。)(応募作品は動画である。)

論文

中性子トモグラフィによる二相流計測技術

呉田 昌俊

噴流工学, 20(2), p.24 - 31, 2003/07

中性子ラジオグラフィ技術とコンピュータ断層撮影技術(CT)、そして二相流計測法を融合して原研が独自に開発した中性子トモグラフィ熱流動計測技術に関して解説した。本技術は、低減速軽水炉の燃料集合体内の蒸気割合を3次元で計測し、詳細熱流動解析コードの検証用データを整備することを目的として開発した技術である。本技術は、中性子線が水の中で減衰しやすい特性に着目した技術で、中性子ラジオグラフィ技術をベースとすることで、金属製の複雑な流路内の水の空間分布を流れを乱すことなく高精度(空間分解能が0.1mm)で計測できる。本稿では、原研が開発した中性子トモグラフィシステム,中性子ラジオグラフィ像を用いて2種類の断面再構成計算法を比較した結果、そして稠密バンドル流路内を流れる空気/水二相流と沸騰流の気相割合を計測した例を記した。

論文

金属容器内を流れる沸騰流を中性子線で測定・観察

呉田 昌俊

原子力eye, 49(4), p.34 - 37, 2003/04

研究用原子炉の中性子線を用いて、これまで見ることができなかった金属容器内を流れる沸騰流の挙動を1/1000秒ごとに測定・観察する技術を開発した。本誌では、開発の背景,技術の概要,測定・観察例,今後の展開と応用例を紹介する。本技術は、水冷却増殖炉の炉心体系でボイド率を測定し、観察するために開発を進めているもので、中性子線で沸騰流の変化を測定できるところに最大の特徴がある。開発した技術は、高速度撮影による中性子ラジオグラフィ熱流動計測技術であり、中性子源として研究用原子炉JRR-3Mを用いている。本誌では、蒸気泡の発達過程を1/1125秒ごとに捉えた結果や、低減速軽水炉の炉心を模擬した試験体の中の冷却水の挙動を調べた結果を紹介する。

論文

高速度撮影中性子ラジオグラフィによる沸騰流のボイド率計測

呉田 昌俊

可視化情報学会誌, 23(89), p.21 - 26, 2003/04

中性子源と高速度デジタルビデオカメラを使用した高速度撮影中性子ラジオグラフィによるボイド率計測技術を開発した。本技術は、狭い流路内の微量の水を測定できる長所がある。本実験では、1125フレーム毎秒を目安として瞬時ボイド率の測定と流動観察を行った。他法では測定が困難であった狭い矩形流路内を流れるサブクール沸騰流と将来型原子炉の炉心を模擬した稠密バンドル流路内を流れる二相流を、流れを乱さずに約1ミリ秒の時間分解能で測定できた。得られたボイド率データを動画観察することで、蒸気泡の発達過程などの現象を詳細に把握できた。また、測定データは、将来型原子炉の熱設計手法の開発や検証に役立てられた。

論文

Study on point of net vapor generation by neutron radiography in subcooled boiling flow along narrow rectangular channels with short heated length

呉田 昌俊; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 秋本 肇

International Journal of Heat and Mass Transfer, 46(7), p.1171 - 1181, 2003/03

 被引用回数:7 パーセンタイル:59.76

ボイド率と沸騰開始点の実験データ及びシステムパラメータの影響評価が、高熱流束限界熱流束予測モデルの検討を進めるうえで必要であった。そこで著者は、中性子ラジオグラフィ高速度撮像法によるボイド率計測技術を開発し、サブクール沸騰流の瞬時ボイド率及び時間平均ボイド率を計測し、ボイド率データベースを蓄積してきた。本研究では、瞬時ボイド率の計測結果から瞬時及び時間平均の沸騰開始点を求め、システムパラメータが沸騰開始点での熱平衡クオリティに及ぼす影響を評価した。評価の結果、システムパラメータの影響が小さいことがわかった。次に、既存の沸騰開始点評価式の短加熱長矩形流路への適用性を検討し、既存の評価式は沸騰開始点での熱平衡クオリティを過小評価することを示した。また、沸騰開始点の評価が限界熱流束モデルによる限界熱流束予測に及ぼす影響を試算し、予測精度が向上することを示した。

論文

Visualization and measurement of subcooled water jet injection into high-temperature melt by using high-frame-rate neutron radiography

柴本 泰照; 久木田 豊*; 中村 秀夫

Nuclear Technology, 139(3), p.205 - 220, 2002/09

 被引用回数:19 パーセンタイル:22.62(Nuclear Science & Technology)

溶融金属表面での水の直接接触沸騰は非常に効率の良い熱伝達を期待でき、液体金属冷却炉の一体型熱交換器の開発や軽水炉溶融炉心の冷却手段,または事故時の影響評価などと関連して近年注目を集めている。水ジェットのプール中への貫入挙動について、非沸騰体系またはジェットの沸騰する体系,プール材料の沸騰する体系など、数種類のプール流体を用いた実験研究がこれまでに行われており、プール流体と水ジェットの密度比$$R$$=$$rho_{m}$$/$$rho_{j}$$で0.81~13.6の範囲に及んでいる。これらの研究により、ジェット貫入やキャビティ形成に関する各種データが提供されてきたが、実機のような高密度比($$R$$大)かつ高温沸騰条件でのデータは筆者らの研究を除いてほとんど得られていない。本研究では高速度撮影の中性子ラジオグラフィを用いた実験を行い、可視化に対する問題を解決するとともに、発生蒸気量やメルト/水噴流界面形状にかかわるパラメータの定量計測を行った。衝突ジェットは、$$R$$小の場合にはジェットブレークアップ(エネルギー散逸)により貫入が制限されるのに対して、高温溶融金属中への水ジェット貫入は浮力によって制限される。また貫入は、沸騰による蒸気生成量やその界面の安定性にも大きく影響され、初期メルト温度や噴流速度に対する依存性があることを見いだした。

論文

Hydrogen analyses of titanium hydride by ERD and NRG methods

土屋 文*; 勅使河原 誠; 永田 晋二*; 小無 健司*; 安田 良; 西野 泰治; 中川 哲也*; 山脇 道夫*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 190(1-4), p.699 - 703, 2002/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:40.03

反跳粒子検出(ERD)法及び中性子ラジオグラフィー(NRG)法により、チタン水素化物(TiHx: x=1.65~1.96)の水素濃度を測定した。ERD法ではTiHx表面(約0.3mm),NRG法ではTiHxバルクの水素濃度を$$Delta$$x=$$pm$$0.05程度の精度で測定可能であり、各水素分析手法の有効性を確認した。

論文

Application of neutron radiography for estimating concentration and distribution of hydrogen in zircaloy cladding tubes

安田 良; 松林 政仁; 仲田 祐仁; 原田 克也

Journal of Nuclear Materials, 302(2-3), p.156 - 164, 2002/04

 被引用回数:23 パーセンタイル:16.1

被覆管中における水素の挙動に関する知見を得ることは、燃料の健全性を評価するうえで重要である。現在、中性子と水素との相互作用に着目して、固体中の水素化合物の濃度分布を調べるための手法として中性子ラジオグラフィが考えられている。そこで、燃料被覆管中における水素の濃度分布を評価する照射後試験法としての中性子ラジオグラフィの有効性を評価・検討した。試験は、照射済燃料と同様に外周部に水素を偏析させ、さらに水素濃度を調整した未照射被覆管を用いて、イメージングプレート法及びCT法により、JRR3M-TNRF2において行った。画像上において、水素の偏析部に相当する領域で輝度変化が観察され、それが水素吸収量の増加とともに増大する傾向が確認された。このことは、被覆管中の水素の濃度分布を評価するツールとしのて中性子ラジオグラフィの可能性を示唆していると考えられる。

報告書

中性子ラジオグラフィによる照射済燃料・材料の非破壊試験法の開発,3; 中性子イメージングプレート法及びCT法による未照射燃料ピンの撮影

安田 良; 松林 政仁; 仲田 祐仁; 原田 克也; 天野 英俊; 安藤 均*; 笹島 文雄; 西 雅裕; 堀口 洋二

JAERI-Tech 2002-001, 23 Pages, 2002/02

JAERI-Tech-2002-001.pdf:3.79MB

日本原子力研究所ホット試験室では、照射済燃料・材料中のクラック,形状変化及び水素化物等の欠陥・組成分布等を調べる非破壊検査法として中性子ラジオグラフィの有効性に着目し、中性子イメージングプレート法(IP法)や中性子断層撮影法(CT法)等を用いた先進的な中性子ラジオグラフィ技術の照射後試験(PIE)への適用を検討している。IP法及びCT法を核燃料に応用した例は少ないため、照射後試験への適用を検討するための基礎データの収集を必要としている。本稿では、基礎データ収集を目的として行った未照射燃料ピンを用いた中性子ラジオグラフィ試験の結果について報告する。試験は、JRR-3Mの中性子ラジオグラフィ装置TNRF-2において行った。中性子イメージングプレート法は、燃料ピンの透過像を撮影し、CT法では、燃料ピンの断面画像データを取得した。試験に用いた燃料ピンは、寸法,形状及び濃縮度の異なる複数の燃料ペレットが装荷されており、画像上及び画像解析処理によりそれらの相違を評価した。試験の結果、中性子イメージングプレート法においては、ペレットの形状,ペレット間の寸法の相違及びペレット間の濃縮度の相違が、画像上から確認され、CT法においても、ペレットの断面形状を示す良好な画像が得られた。

論文

1.6.1 中性子撮影の最新設備と最近の成果

松林 政仁

非破壊検査の最前線 (CD-ROM), 7 Pages, 2002/00

中性子撮影はX線撮影と同様に放射線透過を利用した非破壊検査法である。中性子撮影には中性子源,コリメータ及び撮影システムの3要素が必要とされる。中性子源として現状、国内最高性能を有しているのは研究炉JRR-3Mであり、JRR-3M中性子ラジオグラフィ装置が設置されている。本書では、現時点におけるJRR-3M中性子ラジオグラフィ装置を概説し、装備されている撮影システムを紹介した。応用研究で広く利用されている冷却型CCDカメラを用いた高解像度撮像システム及び高速度カメラを用いた高速度撮像システムに加えて、開発中であるFOP-CCDイメージングを取り上げ応用例を交えて紹介した。さらに最近の研究成果として、電気化学分野からイオン伝導性セラミックスへの応用及び水素吸蔵合金中の水素の拡散過程の可視化,原子力関連分野から被覆管中の水素挙動可視化及び稠密バンドル流路内環状流のボイド率測定を紹介した。

論文

Measurement and visualization of void fraction in a tight lattice bundle by high-frame-rate neutron radiography

呉田 昌俊; 秋本 肇

Proceedings of 10th International Symposium on Flow Visualization (ISFV-10) (CD-ROM), 8 Pages, 2002/00

原研では、中性子ラジオグラフィを用いたボイド率計測技術を開発した。本研究では、開発した中性子ラジオグラフィ高速度撮像法(HFR-NR)を稠密バンドル内を流れる空気-水二相流のボイド率計測に適用し、アルミニウム容器内を流れる水の挙動を可視化した。試験体は低減速スペクトル炉の炉心形状を模擬しており、棒外径が12mm,棒間ギャップが1mmの7本バンドルである。「流れの可視化国際会議」では、HFR-NRシステム及びボイド率の時間変動(水の挙動の500~2250フレーム/秒で可視化した結果)に関して報告する。本研究により、低減速スペクトル炉を模擬した条件でのボイド率の変動幅は$$pm$$10%であり、流路周辺部やスペーサの上下に水が溜まりやすい傾向があることがわかった。また、数値解析コードで計算されるボイド率の検証に資するため、ボイド率マップを作成した。

論文

Void fraction measurement in subcooled-boiling flow using high-frame-rate neutron radiography

呉田 昌俊; 秋本 肇; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*

Nuclear Technology, 136(2), p.241 - 254, 2001/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:39.36(Nuclear Science & Technology)

サブクール沸騰流のボイド率分布を中性子ラジオグラフィ高速度撮像法により計測した。本報では、(1)瞬時ボイド率及び時間平均ボイド率の計測誤差を実験的、解析的に総合評価し、(2)計測結果をもとに流動パラメータがボイド率に及ぼす影響を評価することを目的とした。瞬時ボイド率(計測時間=0.89ms)の計測誤差(標準偏差/平均値)は18%以内であり、誤差最大条件で誤差の44%が中性子数の統計的変動誤差に起因し、36%が画像増幅ノイズに起因し、18%が蒸気泡の移動に起因することを実験及び解析から明らかにした。また瞬時ボイド率データをもとに時間平均ボイド率を求め、この計測誤差が2%以内であることを示した。瞬時ボイド率分布の時間変化量から気泡情報(寸法、移動速度等)を計測するとともに、流動パラメータが時間平均ボイド率に及ぼす影響を計測しボイド率マップを作成した。本研究により、中性子ラジオグラフィ高速度撮像法による沸騰流のボイド率計測技術を確立し、サブクール沸騰流中のボイド率特性を明らかにした。

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