Development of failure mitigation technologies for improving resilience of nuclear structures, 6; Resilience improvements of fast reactors by failure mitigation for excessive earthquake

山野 秀将; 二神 敏; 安藤 勝訓; 栗坂 健一

Transactions of the 27th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 27) (Internet), 11 Pages, 2024/03

本研究では、FINAS/STARコードを用いて課題に対する次原子炉容器の動的構造解析を実施し、象足型座屈を示すとともに、累積疲労損傷和を計算した。その結果を用いて、本論文では安全係数法を用いてフラジリティ曲線を描き、既往評価結果に比べて有意に改善することを示した。

Parametric design study about seismic isolation system for fast reactor JSFR

川崎 信史; 山本 智彦; 深沢 剛司*; 岡村 茂樹*

Proceedings of 2015 ASME Pressure Vessels and Piping Conference (PVP 2015) (Internet), 9 Pages, 2015/07

国内の地震条件は、年々増加する傾向にあり、また、機器の大型化に伴い機器の固有振動数も低下する傾向にある。その背景を踏まえ、容器の肉厚と径に着目した機器の応答加速度と座屈裕度の検討を行い、免震装置への要求仕様を再評価した。まず、最新の国内の地震条件及び原子炉構造の仕様等に基づき、従来の免震仕様を前提に、原子炉容器が据え付けられている床の応答を評価した。計算した床応答に基づき、容器の肉厚と径の条件に対する、固有振動数、発生応力、座屈裕度の関係を求めた。また、免震特性の拡張性を評価するために、免震周期を変えた応答評価も実施した。免震周期を変更した場合の床応答は、従来の免震仕様である上下8Hzの免震仕様における床応答に対する比率で整理した。これらの評価の結果、国内の地震条件は増加の傾向にあり、機器固有振動数も低下の傾向にあるが、上下8Hzの免震仕様で、座屈裕度を確保可能であると判断した。また、8Hzの免震仕様がもつ拡張性を他の免震周期と比較、考慮し、将来的な裕度拡大の方策がまだ残されていることも踏まえ、JSFRの免震仕様は、上下8Hzとした。

Optimization study on the normal conducting center post for the low aspect ratio tokamak reactor

Song, Y.*; 西尾 敏

Fusion Engineering and Design, 72(4), p.345 - 362, 2005/01

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2004.08.002

中心ソレノイドコイルのないトカマク炉の常伝導トロイダル磁場コイルの許容電流密度を合理的に増加させる新方式について論じたものである。最重要課題は電磁力である。トロイダルコイルのクリティカルな部位はトーラス中心領域の直線部である。これは、この部位が強磁場環境に置かれることと空間的に制約され支持部材の導入が困難なためである。全トロイダルコイルでこの部位は一本の柱状をなし中心ポストと呼ばれ、ここでの荷重形態は中心力によるピンチ力とフープ力による引っ張り力である。この両荷重形態は相乗して応力強さを増加させることになり、コイル許容電流が著しく制限される。応力強さを軽減する目的で中心柱に上下方向からフープ力を相殺する以上の圧縮荷重を加える。この場合、圧縮荷重は座屈によって制限されるとした。この圧縮荷重を最適化することで電磁力の観点からコイル許容電流を2倍以上増加できることを明らかにした。また中心ポストの幾何形状によってはジュール発熱の除熱性能が許容電流密度を決定する。この場合でも従来比で6割程度の電流密度の増加が見込めることを明らかにした。

「常陽」MK-II制御棒の開発と使用実績の評価

宮川 俊一; 高津戸 裕司; 曾我 知則

PNC TN9410 97-068, 113 Pages, 1997/07

PNC-TN9410-97-068.pdf:3.97MB

「常陽」MKII制御棒は、当初の設計から約20年経過した現在までに、44体の制御棒が主として寿命延長を目的とした種々の改良を経て製作され、このうち34体がその使用を終え、そのうちの16体の照射後試験(以下PIE)がほぼ完了している。これらの使用実績とPIE結果に基づく評価から、次のような知見が得られた。(1)「常陽」MK-I制御棒は密封型であったため、制御棒の寿命はBの10乗の(n,)反応によって制御棒要素内に蓄積するHeガスの圧力のために短く制限されていた。このためMKII炉心用の制御棒では、Heガスの制御棒要素外排出が可能で簡素な構造のダイビングベル方式のベント型を採用し、その有効性と信頼性を確認した。(2)MKII炉心では6本の制御棒全てにスクラム機能と出力抑制機能を持たせた設計としたため、地震時のスクラム機能確保と流力振動による炉出力振動防止の両立が必要になった。その解決策として、制御棒の下部に流力振動防止用の突起状の流力振動防止機構を設け、さらに突起の段数や形状を改良し、それらの両立性を確認した。(3)スクラム緩衝機構である制御棒下端部のダッシュラムは、原子炉運転中はほぼ炉心中心面に位置して高速中性子の照射量が非常に大きく、ダッシュラムのスエリングによる下部案内管の同緩衝機構の受け側との干渉が問題となった。これを解決するため、ダッシュラムの構造を中空として20%冷間加工を施す等の耐スエリング対策を確立し、長期使用条件下におけるスクラム緩衝機構での干渉の課題を克服した。(4)中性子吸収体(B4Cペレット)と被覆管との機械的相互作用(Absorber-Cladding-Mechanical-Interaction:以下ACMIと称す)は、制御棒の寿命制限因子として現在も世界的に最も注目されているテーマである。「常陽」制御棒の使用実績とPIEの評価によって、ACMIはB4Cペレット破片の再配置(リロケーション)により加速されること、それによるACMIの開始燃焼度は54510の26乗cap/m3乗と大きくばらつくことなどのメカニズムの詳細を把握し、より合理的な設計基準を明らかにすることができた。この設計基準に従い、従来型の制御棒の経験的な燃焼度管理法の妥当性、リロケーション防止の簡易対策(シュラウド管つきHeボンド型制御棒)の効果、さらにACMI吸収のため

Estimation of creep buckling deformation under external pressure at elevated temperature

加治 芳行; 井岡 郁夫; 宮本 喜晟; 西口 磯春*

J. Pressure Vessel Technol., 118(2), p.194 - 197, 1996/05

https://doi.org/10.1115/1.2842180

高温において一定および変動外圧力をうける伝熱管の破壊時間に及ぼす初期偏平率、肉厚および圧力変動の影響について、実験および解析を行い検討した。簡易解析法および有限要素法は、一定外圧力条件下では実験結果と比較して妥当なクリープ変形挙動を予測する。また簡易解析法は、有限要素法と比較してかなり保守的な予測を示す。クリープ座屈によって試験体外表面等に微細な割れおよびボイドは発生するものの、貫通き裂は存在せず、ヘリウムガスの漏洩のないことが確認できた。

円筒殻のせん断・曲げ座屈におけるせん断曲げ相互作用の解析的評価

月森 和之

PNC TN9410 95-042, 313 Pages, 1995/02

PNC-TN9410-95-042.pdf:15.49MB

高速増殖炉(FBR)の機器や配管は基本的に薄肉構造であるため、地震時等の座屈の防止に対する配慮が重要となる。そこで、昭和63年度からFBR機器構造設計の安全裕度の適正化を図り、設計の合理化を実現することを目的として、基本的な構造モデルである薄肉円筒殻のせん断・曲げ座屈に関する研究開発が展開され、広範囲な形状および材質の構造物に適用しうる解析に基づく座屈評価式が提案された。本報告は、この延長上に位置づけられるもので、座屈評価式の高度化を図るために前述の評価式では考慮されていないせん断-曲げ相互作用の影響について解析的に検討・評価した結果についてまとめたものである。せん断-曲げ相互作用の影響の検討は、次の3つの観点から実施した。(1)主応力差等の応力指標の最大値と発生位置に対するせん断荷重と曲げモーメントの比率の影響。(2)弾性座屈固有値解析によるせん断支配型座屈と曲げ支配型座屈の遷移領域でのせん断-曲げ相互作用の影響。(3)弾塑性域では,塑性ポテンシャルを介して、せん断応力と直応力が従属関係にあることから、塑性の進展に起因するせん断ー曲げ相互作用の理論的評価手法の検討。検討の結果、(1)純せん断力、純曲げモーメントそれぞれ単独で発生する主応力差および相当応力の最大値と発生位置は、せん断力と曲げモーメントを重畳させた場合も変わらない。(2)せん断支配型座屈と曲げ支配型座屈の遷移領域でのせん断ー曲げ相互作用は弾性の場合も若干存在するが、弾塑性の場合は塑性に起因した相互作用が卓越する。(3)既存のy係数を包含する、塑性の進展に起因するせん断-曲げ相互作用の理論的手法を提案した。さらに、試験データおよび弾塑性詳細解析との比較から、この方法によって、せん断支配型から曲げ支配型への遷移領域を合理的に評価できることを確認した。上の結果から、解析的にせん断-曲げ相互作用の影響を評価し、既存の座屈評価式を高度化できる見通しが得られた。

FBR用中空ペレット製造技術開発(2)中空ペレット成形用金型の開発(1)金型の設計・試作

野上 嘉能; 宮本 寛; 飛田 典幸; 小幡 真一; 上村 勝一郎; 山本 純太

PNC TN8410 93-228, 66 Pages, 1993/07

PNC-TN8410-93-228.pdf:2.3MB

FBR用中空ペレット製造技術開発の一環として、成形用金型を試作した。本報告書は、今後実施される中空コアロッドの性能評価試験に供するため、金型の設計および強度、寿命についての予測解析を行い、試作結果についてまとめたものである。中空コアロッドの予備解析の内、座屈強度に関しては、超硬合金製では1.50mm以上、SKH製では2.00mm以上のものが使用可能であった。しかし、中空コアロッドに働く軸圧縮力の計算条件に推定値が入っているため、それらの解析を待って、再解析する必要があると考える。疲労強度に関しては、超硬材製で1.50mm以上の場合49kg/mm2以上、SKH製で2.00mm以上の場合37kg/mm2以上の疲れ限度を有する材料であれば、使用可能と思われる。文献データから推定すると、SKH製で2.00mm以上の場合、疲労せず使用可能の見通しがある。超硬材製については、文献データからは推定できなかった。耐磨耗性については、超硬材のAF1が一番耐磨耗性が良かった。(以下、D2-G5-GH880RSKH51-GH96Rの順)金型は、ウイズドロアル式プレス(Pu第1開発室R-125室既設)に取付けられるものであり、中空コアロッド、上・下パンチ、ダイスより構成される。試作金型は、予備解析及び使用実績等を基に各種超硬合金(4種類)及び高速度工具鋼(1種類)を用い、中空コアロッドのチップ径が1.002.50mm(0.5mmごと)のものを試作した。中空コアロッドは、チップ部の表面荒さを0.2S以内に抑え、目視上鏡面状態に仕上げた。取扱性は、チップ部が超硬合金の場合、WC-Coをベースにしているため、脆性破壊が予想されたにもかかわらず、指で3mm程度曲げたり、机の角部へ45cm上方から降り下ろしても破損せず、良好な状態であった。今後は、試作した金型を用いて、座屈強度、疲労強度、耐磨耗性の試験を行い金型の性能評価を実施する予定である。

Dynamic buckling analysis of liquid-filled shells with imperfections

月森 和之

PNC TN9410 91-393, 152 Pages, 1992/12

PNC-TN9410-91-393.pdf:2.47MB

実際のシェル構造では何らかの形状不整が存在する。構造の信頼性を確保するためには形状不整を合理的に押さえる必要がある。液体を内包する円筒シェル構造の動的座屈問題について形状不整の影響を検討した例はない。本研究は周方向形状不整を有する不完全円筒シェルの動的座屈問題の解析に関するものである。まず、変分原理に基づき、動的な流体-構造連成、周方向と軸方向のモード連成および周方向形状不整を考慮した動的座屈問題を解くために基礎方程式を導いた。つぎに、これらに有限要素法を適用し、マトリックス形の方程式を導き解析プログラムを作成した。最後にいくつかの基本的な例題を通して形状不整の影響を検討した。その結果、完全円筒を仮定した解析では現われない不安定領域を促えるとともに固有振動数の変化等についても確認された。なお、本研究は筆者が、1990年9月から1991年8月にかけて米国ノースウエスタン大学に客員研究員として滞在中にW. K. Liu教授のもとで行ったものである。

Finite element dynamic bifurcation buckling analysis of torispherical head of BWR containment vessel subjected to internal pressure

宮崎 則幸*; 萩原 世也*; 植田 隆*; 宗像 毅*; 早田 邦久

Transactions of the 11th Int. Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology, Vol. J, p.153 - 158, 1991/08

BWRの格納容器頂部は、内圧荷重時に分岐座屈を生じ、健全性を喪失する恐れがある。とくに、シビアアクシデント時には、設計圧を大巾に上回る圧力が格納容器に加わり、格納容器が破損する可能性がある。そのため、有限要素法を用いて、分岐座屈を生じる条件等についての解析を行い、格納容器の安全余裕を明らかにすることを試みた。本解析では、動的荷重が加わった場合について解析を行なったが、静的荷重を与えた場合に比べ、座屈を生じる圧力が1.91MPaから1.037MPaに減少し、動的荷重時には、格納容器の安全余裕が低減することが分かった。

ベローズのねじり座屈解析

月森 和之*; 岩田 耕司; 石渡 俊*; 井上 泰幸*

PNC TN9410 88-136, 69 Pages, 1988/08

PNC-TN9410-88-136.pdf:3.54MB

ベローズ継手は機器、配管引廻しのコンパクト化に有効な手段であり、事業団において高速炉プラントへの適用成立性に関する研究開発を行ってきた。本来、ベローズはねじり負荷がかからぬように設計されるべきであり、通常、ハードウェアによってねじりを受けないよう保護されている。しかしながら実際にはピン部のガタ、ハードウェアの変形等ねじりの要因は存在するため、これを設計上明確に抑えることは設計、製作における信頼性向上の面からも有効と考えられる。このような観点に立ち、ベローズのねじり座屈について理論、数値解析の両面からパラメトリックな検討を行った。数値解析にはFINASに新しく開発された3接点軸対称シェル調和級数要素(NAXSHEL3)を用いて、弾性座屈固有値解析を行った。その結果、理論解析と数値解析は幅広い形状範囲で良く一致し、設計規定の中に具体的に反映する見通しを得た。