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論文

Mechanism of flashing phenomena by microwave heating and influence of high dielectric constant solution

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

Proceedings of 11th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-11) (Internet), 7 Pages, 2018/11

使用済燃料の再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をマイクロ波加熱脱硝法により、酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物粉末に転換しており、今後、量産規模の脱硝技術を開発する上で、マイクロ波加熱時の突沸及び噴きこぼれ防止のために運転条件の把握が求められる。本研究において、溶液の誘電率の増加に伴い熱伝導係数が低下することを明らかにした。また、噴き上げ現象においては気泡成長よりも無数の微小気泡の発生が支配的に影響を及ぼすと考えられる。

論文

Mechanism of flashing phenomena induced by microwave heating

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一; 加藤 良幸; 石井 克典

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 8 Pages, 2018/07

使用済燃料を再処理する工程において、マイクロ波加熱脱硝法により、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物粉末を製造している。将来に向けた量産規模の脱硝技術開発において、マイクロ波加熱時の沸騰中の突沸及び噴きこぼれを防止するため、十分に運転条件を把握することが求められる。本研究においては、高誘電損失の硝酸ウラニル水溶液の模擬物質として塩化カリウム水溶液において、KCl濃度の増加に伴う誘電損失の増加に伴い、溶液表面でマイクロ波が損失することを実験及び電磁場解析により確認し、加熱状態の変化が突沸の発生に影響を及ぼすことを明らかにした。

論文

Flushing phenomena and flow structure by microwave heating

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 長南 史記*; 湯浅 朋久*; 八巻 辰徳*; 瀬川 智臣; 山田 美一

Proceedings of 25th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25) (CD-ROM), 8 Pages, 2017/07

核燃料サイクルにおける使用済み燃料の再処理の転換工程においてマイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び噴き零れを避ける運転条件を十分に把握する必要がある。マイクロ波加熱時の突沸現象を明らかにするため、突沸の発生について高速度カメラによる詳細な観察を実施した結果、マイクロ波照射により加熱が進行し単一気泡による突沸に至るケース、気泡の生成と停止が間欠的に起こり、最終的に単一気泡による突沸に至るケース、気泡生成を伴わず蒸発が進行するケースの3種類に分類できることを明らかにした。また、突沸を引き起こす単一気泡周辺の流れ構造の可視化に成功した。さらに、液体表面の微小気泡を観察し、その生成と成長に対する必要熱量とマイクロ波加熱に伴う放出熱量との比較評価を行い、突沸と微小気泡との関係性を明らかにした。

論文

真空中における液体の蒸発と突沸の防止

村上 義夫

表面科学, 12(8), p.520 - 524, 1991/00

真空ポンプ油などの液体を真空中で円滑に蒸発させることはそれほど簡単ではない。真空中で加熱された液体の表面には蒸発が盛んに起こるworking areaと静かで蒸発があまり起こらないtorpid areaが共存していることが多く、torpid areaが優勢な場合にしばしば爆発的な沸騰(突沸)を起こす。そこで、液体を過熱せずに安定的に多量の蒸気を得るためには加熱法に何らかの工夫が必要である。本稿では、筆者らが以前に行った実験や古い文献に基づいて、まず液体の蒸発面にみられるtorpid現象と、突沸現象について概説し、次にこれらの特異な現象の防止方法について述べる。

口頭

マイクロ波加熱における過渡沸騰現象に及ぼす誘電特性の影響

八巻 辰徳*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 金川 哲也*; 北澤 敏秀*; 瀬川 智臣; 川口 浩一; 山田 美一

no journal, , 

マイクロ波加熱脱硝法の量産規模での実用化のためには、マイクロ波加熱時の突沸や吹き零れといった過渡沸騰現象を防止しつつ、容器形状やマイクロ波出力の設計条件を最適化する必要がある。再処理溶液を模擬したイオン性溶液を用い、KCl濃度をパラメータとしてKCl水溶液の沸騰挙動及び対流挙動を測定した結果、KCl濃度が増加するに従い、突沸が発生しにくくなり、対流挙動に渦構造が形成され、乱れが大きくなることがわかった。また、KCl寒天の温度分布を観測結果から、水寒天では主に中心部が加熱される一方、KCl寒天では周辺部が加熱されており、水とKCl溶液の誘電特性の違いが突沸の発生条件及び沸騰挙動に大きく影響することが明らかとなった。

口頭

マイクロ波による突沸現象の発生機構

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 長南 史記*; 湯浅 朋久*; 八巻 辰徳*; 瀬川 智臣; 山田 美一

no journal, , 

核燃料サイクルの再処理工程において、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び吹き零れを避ける運転条件を十分に把握する必要がある。マイクロ波加熱時に生じる溶液の突沸現象の発生機構の解明を目的とし、核生成時の詳細観測を行い、突沸現象前後における熱量の関係から突沸現象の発生機構の考察を行った。気泡生成・成長に必要な熱量と突沸により放出された熱量を比較した結果、両者は概ね等しい値であることを確認した。突沸現象とは過熱液相から微小気泡が瞬時に無数に発生・成長することにより、水が急激に噴き出される現象であると考えられる。

口頭

マイクロ波加熱による突沸現象の発生メカニズム

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一

no journal, , 

核燃料サイクルの再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をプルトニウム・ウラン混合酸化物(MOX)原料粉末に転換するため、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では沸騰現象を伴うことから、突沸及び噴き零れを避けるため、運転条件を十分に把握する必要がある。本研究では、マイクロ波加熱時に生じる突沸現象の発生機構の解明を目的として、液面近傍での微小気泡生成・成長挙動の可視化観測を行い、気泡径の計測、核生成頻度の算出により、微小気泡生成・成長に必要な熱量を推定した。突沸によって放出された熱量との比較検討を行った結果、突沸により放出される熱量と微小気泡生成・成長に必要な熱量がオーダーで一致することを確認した。

口頭

マイクロ波加熱による突沸現象の機構解明

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一; 加藤 良幸; 石井 克典

no journal, , 

使用済み燃料の再処理工程において、マイクロ波加熱脱硝法により、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物(MOX)粉末を製造している。マイクロ波加熱脱硝法は沸騰現象を伴うことから、将来に向けた量産規模の脱硝技術開発において、突沸及び噴きこぼれを避ける運転条件を把握する必要がある。本研究では、マイクロ波加熱時の突沸現象の機構解明を目的とし、突沸時に瞬時に無数に発生する気泡の生成メカニズムについて考察を行った。気泡の不均質核生成時の接触角が177$$^{circ}$$Cの場合、不均質核生成頻度の理論値は実験値と概ね一致し、またその時の過熱度は35$$^{circ}$$Cに近いことがわかった。突沸時の噴き上げ現象の気泡生成メカニズムは、過熱液相内で不均質核生成により気泡が瞬時に大量に生成され、その気泡群が急激に成長することにより突沸現象に至ることを明らかにした。

口頭

マイクロ波加熱による突沸発生機構

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

核燃料サイクルにおける使用済み燃料の再処理転換工程において、マイクロ波加熱脱硝法が使用されている。マイクロ波加熱では過渡沸騰現象を伴うことから、突沸による噴きこぼれの発生を防止するための運転条件の把握やそのメカニズムの解明が求められる。本研究では、マイクロ波加熱による突沸発生機構の解明を目的として突沸のモデルを想定し、突沸時の可視化結果から気泡生成頻度・気泡体積を計算し、気泡の瞬時生成と成長のメカニズムについて考察を行った。マイクロ波加熱時の突沸現象のメカニズムとして、過熱液相内の不均質核生成によって固液界面ナノバブルが瞬時に大量に生成し、その気泡群が急激に成長した後、崩壊し、気泡内圧の放出によって激しく噴き上がる現象が生じると考えられる。

口頭

マイクロ波加熱における高誘電率溶液の加熱特性

小林 昌平*; 藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

使用済燃料の再処理工程において、マイクロ波加熱脱硝法が利用されている。将来に向けた量産規模の脱硝技術を開発する上で、マイクロ波加熱時の突沸及び噴き零れを避けるため、運転条件を十分に把握することが求められる。本研究において、模擬物質として塩化カリウム水溶液を用いて、塩化カリウムの濃度とマイクロ波出力をパラメータとして、突沸の発生する条件の評価を行い、塩化カリウムの濃度が増加するに従い、突沸現象が起こりにくくなることを明らかにした。

口頭

マイクロ波加熱特性における高誘電率溶液の影響

小林 昌平*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 弗田 昭博*; 藤原 広太*; 瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

溶液及びスペーサの誘電特性が溶液の加熱プロセスに及ぼす影響を調べることを目的とし、低誘電性のテフロンや空気とほぼ同等の非常に低い誘電性を有するエアロゲルをスペーサとして試料容器の直下に配置し、試料及びスペーサの幾何学的配置並びに誘電特性が試料の加熱特性に及ぼす影響を評価した。エアロゲルをスペーサとして用いた実験及び実験と同条件のモデルでの電磁場解析により加熱効率をそれぞれ評価した結果、実験により得られた加熱効率は、スペーサ高さが増加するにつれて減少する傾向がみられた。また、電磁場解析により得られた加熱効率は、サポート高さ50mmまでは実験結果と概ね一致することが確認された一方、サポート高さをさらに高くすると、加熱効率が増加した後、低下する傾向がみられた。さらに、テフロンをスペーサとした時は溶液下部からマイクロ波が進入したのに対し、エアロゲルをスペーサとした時は溶液上部からマイクロ波が進入する傾向にあり、スペーサの誘電特性が試料の加熱特性に大きく影響を及ぼすことが明らかとなった。

口頭

マイクロ波加熱時における不均質核生成と突沸現象

小林 昌平*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 藤原 広太*; 弗田 昭博*; 瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

核燃料サイクルにおいて、マイクロ波加熱脱硝法が利用されている。マイクロ波加熱時の突沸及び吹き零れの発生を防止するため、突沸現象のメカニズムの解明を目的として、不均質核生成における気泡核生成頻度に着目し、溶液内で生じる気泡について考察を行った。可視化観察結果から、単一気泡下部において新たな気泡が生じている様子を確認した。この気液界面で生じる気泡は不均質核生成に起因すると考えられる。また、計算結果から、大きい接触角で気泡が生成していることが明らかになった。気液界面において気泡が多数発生していることが示唆され、過熱液相中で不均質核生成により生成した多数の気泡が突沸の発生に影響を及ぼしていると考えられる。

口頭

マイクロ波加熱時における突沸現象と高誘電率溶液の影響

小林 昌平*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 藤原 広太*; 弗田 昭博*; 瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典

no journal, , 

核燃料サイクルにおいて、使用済み燃料から回収した硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液を酸化物に転換する再処理工程でマイクロ波加熱脱硝法が使用されている。本研究では、突沸現象のメカニズム解明と高誘電率溶液のマイクロ波加熱特性が突沸現象に及ぼす影響を明らかとすることを目的として、過熱状態の溶液中の気泡生成と気泡膨張に着目し、蒸留水及び再処理溶液を模擬した高誘電率溶液であるKCl水溶液を用いたマイクロ波加熱実験を実施した。マイクロ波加熱の時間が経過するにつれてKCl水溶液中の気泡の成長速度は、蒸留水に比べて低下することが明らかになった。KCl水溶液では周囲と比べて溶液の中心での加熱効率が低下し、気泡の成長速度が低下するため、高誘電率溶液は突沸が起きにくくなると考えられる。

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