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報告書

混相相互作用のX線による高速度可視化手法に関する検討

宇佐美 力; 森山 清史; 錦沢 友俊; 中村 秀夫

JAERI-Tech 2005-028, 37 Pages, 2005/05

JAERI-Tech-2005-028.pdf:16.32MB

軽水炉シビアアクシデント時に炉心溶融物と冷却水の接触により発生する水蒸気爆発は、格納容器破損をもたらし得る現象の一つとして、安全研究上の課題とされてきた。水蒸気爆発の規模を予測するためには、初期条件となる高温液体の水中での混合状態に関する理解が必要だが、実験でそれを観察する場合には、発生した蒸気泡等のために可視光による観察が難しい。これを観察するためにはX線による透過撮影が適していると考えられる。そこで、撮像速度4500コマ/秒のイメージ・インテンシファイア付き高速度ビデオカメラと、CdWO$$_{4}$$単結晶,ZnS(Ag),CsI(Tl)の3種類のシンチレータ(蛍光板)を用いた高速度X線撮影法について実験により検討した。被写体は水槽中に置いた金属物体及び気泡である。実験の結果、3種類のシンチレータのうち、CsI(Tl)により最も良好な画像が得られ、4500コマ/秒の高速撮影ができることを確認した。しかし、撮影した画像を1コマ抜き出した静止画ではノイズが大きくなり、画像が不鮮明になった。

論文

蒸気爆発進展過程における膜沸騰の崩壊挙動に関する研究

八木 理公; 阿部 豊*; 安達 公道*; 杉本 純; 山野 憲洋

日本機械学会論文集,B, 65(636), p.245 - 251, 1999/08

蒸気爆発素過程における粗混合状態を模擬した鋼球表面上に形成させた膜沸騰に圧力波を加えることで膜沸騰崩壊挙動を観察した。結果として、炭素鋼及びステンレス鋼ともに圧力波が通過した直後、鋼球表面温度の降下が測定された。熱伝導計算により得られた熱流束の値より評価された蒸気膜厚は、温度降下時において減少した。これらの結果は何らかの形態で蒸気膜が不安定となり蒸気膜崩壊を引き起こした可能性を示唆するものである。また、圧力波が通過した直後の鋼球表面温度は温度降下の度合いに応じて、膜沸騰が崩壊しなかった実験結果、膜沸騰が崩壊した実験結果、膜沸騰が崩壊した後再発生した実験結果に分類できることを確認した。これらの結果から、本実験条件の範囲においては膜沸騰を崩壊させるのに必要となる圧力が鋼球の初期温度に強く依存することを確認した。

論文

Visualization study of molten metal-water interaction by using neutron radiography

三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 斉藤 泰司*; 杉本 純; 森山 清史

Nucl. Eng. Des., 189(1-3), p.391 - 403, 1999/00

 被引用回数:12 パーセンタイル:30.49

水蒸気爆発の粗混合過程における溶融物液滴の水中での挙動を調べるため、物質による中性子の減衰特性を利用した中性子ラジオグラフィを用いた可視化を行った。このために高感度かつ高速度の中性子ラジオグラフィ装置を開発した。実験体系は金属を650$$^{circ}$$Cまで加熱して溶融する炉と高さ40cm、幅20cmのアルミニウム製の矩形重水プールから成り、ウッドメタルを溶融して連続したジェットまたは液滴として重水中に落下させて、溶融金属の分散及び混相流挙動を可視化した。得られた画像から、水、蒸気または空気泡、溶融金属のジェットまたは液滴、雲状の金属細粒を区別できることがわかった。また、実験後デブリを回収し、粒径分布と形状を調べて混合挙動との関係を検討した。

論文

Application of high-frame-rate neutron radiography to steam explosion research

斉藤 泰司*; 三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 山本 晃弘*; 杉本 純; 森山 清史

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 424(1), p.142 - 147, 1999/00

 被引用回数:15 パーセンタイル:24.36

水蒸気爆発の粗混合過程における溶融物液滴の水中での挙動を調べるため、溶融物液滴を加熱したステンレス鋼粒子で模擬し、原研のJRR-3Mにおいて新たに開発された高速度中性子ラジオグラフィによる可視化実験を行った。また、撮影された画像をもとにしてボイド率の定量化を行った。実験体系は、高さ40cm、幅20cmの重水プール中に直径6~12mm、初期温度600~1000$$^{circ}$$Cのステンレス鋼球を落下させるもので、撮影速度は毎秒500コマである。ボイド率測定から、蒸気発生量は粒子サイズと粒子の初期温度にほぼ比例して増加していることがわかった。

報告書

Design and first integral test of MUSE facility in ALPHA program

H.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; 工藤 保; Y.Yang.*; 杉本 純

JAERI-Tech 98-007, 62 Pages, 1998/03

JAERI-Tech-98-007.pdf:2.44MB

蒸気爆発(水蒸気爆発あるいは激しい燃料-冷却材相互作用)は、高温の液体が周囲の低温かつ揮発性の液体に接触するときに、瞬時に内部エネルギーを放出する現象である。この急速な伝熱により、蒸気の膨張による時間に比べてごく短時間に多量の蒸気が発生し、このため化学的な爆発と同じように局所的な高圧の発生、それにつづく膨張により周囲に被害をもたらすことがある。蒸気爆発による機械的エネルギーの発生は、高温液と低温液が接触したときに生じる初期粗混合条件に強く依存することが知られている。したがって、多様な接触モード(溶融物投下、層状、冷却材注入及び溶融物注入)における蒸気爆発について、同一の装置を用いてエネルギー変換率を測定し、これにより機構論的な解析モデルを評価するためのデータを取得する実験計画を新たに開始した。本法では、MUSE(多様な形状における水蒸気爆発)と呼ばれる新たな装置と、最初の実験結果を詳細に報告する。

論文

Study on premixing phase of steam explosion of JAERI

山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; H.Park*; Y.Yang*; 杉本 純

JAERI-Conf 97-011, p.447 - 466, 1998/01

シビアアクシデント時に発生し得る水蒸気爆発の初期条件である粗混合状態を知るためには、溶融物ジェットの分散と細粒化を調べる必要がある。そこで、原研ではALPHA計画において、ジェット分散実験を開始した。現在までに鉛ビスマス合金を飽和水中に落下する実験を2回行い、背後から照明をあてジェットの分裂挙動を高速度カメラで撮影するとともに、水蒸気発生量の時間変化を測定して映像と関連づけた。実験後にはデブリを回収して、その粒子径分布や形状を調べた。この実験を、原研で開発中のJASMINEコードにKelvin-Helmholtz不安定性に基づくジェットの分裂モデルを入れて解析したところ、ジェットの沈降速度を測定より遅く予測した。また、水蒸気発生量の予測値は水プール内の初期水温分布に強く依存することが示され、実験において計測を強化する必要があることが明らかになった。

論文

The Effect of system constraint on coolant injection mode of energetic fuel-coolant interactions

Park, H.; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Yang, Y.; 杉本 純

第35回日本伝熱シンポジウム講演論文集,3, p.803 - 804, 1998/00

温度範囲55$$^{circ}$$Cから飽和温度近傍までの冷却水を初期温度2500$$^{circ}$$Cのテルミットに注入する場合のFCIの強度に対する系の拘束の影響を実験によって調べた。実験で測定された機械的エネルギーは、系の拘束が弱いときは冷却水のサブクール度の増加とともに増加したが、拘束が強い系では逆に減少した。これにより、FCIによる機械的エネルギー発生は時間スケールの短い溶融物の細粒化による混合の促進と、時間スケールの長い溶融物細粒の冷却という、2つの異なる時間スケールの現象により支配されていることがわかった。

論文

Study on subcooled water injection into molten material

Park, H.; 山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; Y.Yang*; 杉本 純

Proc. of 11th Int. Heat Transfer Conf. (Heat Transfer 1998), 6, p.69 - 74, 1998/00

CI(Coolant Injection)モードのFCIの強さに対する冷却水ジェットのサブクール度、運動エネルギー及び系の拘束の影響を実験により調べた。測定された機械的エネルギーは、系の拘束が弱いときは冷却水のサブクール度の増加とともに増加したが、拘束が強い系では逆に減少した。また、冷却水の速度の増加とともに増加した。この結果は溶融物内での冷却水ジェットの貫入と分散がFCIの強度を決める重要な要素であることを示唆する。現象の基礎的な物理を理解し、実験における粗混合条件を推定するために、非沸騰・等温系でジェットをプールに注入する可視化実験を行い、また数値シミュレーションを行った。

論文

Effect of water jet dynamics in the coolant injection mode of fuel-coolant interactions

H.S.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Y.Yang*; 杉本 純

Proc. of 1998 ASME/JSME Joint Pressure Vessels and Piping Conf., 362, p.49 - 56, 1998/00

冷却水が強制的にテルミット溶融物に注入される場合(Coolant Injection (CI) mode)のFCIの強さに対する冷却材ジェットの運動エネルギーの影響を調べるために6ケースの実験を行った。注入圧0.15MPaの場合、強いFCIは見られなかった。注入圧を0.5MPaまで増加させるとFCIによる機械的エネルギーは注入圧に線形に5kJまで増加する傾向を示した。冷却水ジェットの運動エネルギーが増加すると粗混合が促進され、このためFCIがより激しくなると考えられる。非沸騰・等温系での可視化基礎実験を行い、得られた相関式で評価すると、冷却材ジェットは溶融物層の底まで到達し、残った運動量により溶融物と冷却材の混合が促進されたと考えられる。

論文

Study on energetic fuel-coolant interaction in the coolant injection mode of contact

H.Park*; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Y.Yang*; 杉本 純

Proc. of 6th Int. Conf. on Nucl. Eng. (ICONE-6)(CD-ROM), 12 Pages, 1998/00

冷却材注入(CI)モードの溶融物冷却材相互作用(FCI)実験を7ケース行い、冷却材のサブクール度がFCIの強さに及ぼす影響を調べた。FCIによる機械的エネルギー放出量は冷却材サブクール度を2Kから45Kまで増加させたとき、ほぼ0から0.6kJまで増加する傾向を示した。エネルギー変換率もこれとともに増加し、また、デブリの平均粒径は減少した。冷却材をスプレー状にして注入した場合、FCIのエネルギーは小さかった。冷却材のサブクール度が大きい場合ジェットは溶融物により深く貫入し、良好な粗混合条件を作り、強いFCIをもたらすと考えられる。非沸騰・等温系で行った可視化実験から得られた相関式により評価すると、実験では冷却材ジェットが溶融物層の底に着いた後、さらに残った運動量により溶融物と冷却材の混合が促進されたと考えられる。

論文

Effect of the rapid evaporation on the motion of melt drops during the coarse mixing process of vapor explosions

Y.Yang*; 大橋 弘忠*; 杉本 純

Eighth Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-8), 2, p.663 - 670, 1997/00

蒸気爆発の粗混合過程を解析するコードで使用される構成式では、通常、抵抗力に対する蒸気の影響を考えていない。しかし、高温溶融物の周りで蒸発が不均一であると、圧力分布も非常に不均一になり易い。この不均一な圧力分布は高温溶融物の受ける抵抗力に影響を及ぼす。本論文では冷却材の自由界面にある高温粒子と冷却材中にある高温粒子について、周囲の蒸気膜中での圧力分布を分析し、蒸気抵抗力モデルを開発した。自由界面では、蒸気が全部高温粒子の下部のみで発生するので、蒸気の圧力は一方向に働くため、大きな抵抗力で粒子の落下速度は大幅に低下する。特に、粒子温度が2500K以上なら、この蒸気抵抗力は無視できないことを明らかにした。水中の粒子については、蒸気抵抗力が蒸気の圧力と冷却材の圧力の比に正比例することを示した。この蒸気抵抗力モデルを蒸気爆発解析コードCHAMP/VEに組込んで、Winfrith Technology Centre(UK)で行った蒸気爆発の粗混合実験MIXA06を解析し、従来の抵抗力モデルとの比較を行った。本モデルの有効性を明らかにした。

論文

Technical note on ex-vessel core melt debris coolability and steam explosions

山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; 杉本 純

NEA/CSNI/R(96)24, 0, p.1 - 49, 1996/00

シビアアクシデント時に溶融炉心が圧力容器内で冷却されずに原子炉キャビティ等に落下すると、溶融炉心がコンクリートを分解侵食する恐れがある。この溶融炉心コンクリート相互作用を防止するために冷却水を注入することが考えられるが、その有効性は明らかではなく、逆に、大規模な水蒸気爆発に至る恐れもある。そこで、水の注入による溶融炉心の冷却可能性や水蒸気爆発について、知見の現状、不確実性、今後必要とされる研究をまとめるとともに、現時点での知見に基づいて最善と思われるアクシデントマネジメント手法についての提案を行った。

論文

Study on steam explosion and molten core coolability in ALPHA program

山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; 工藤 保; H.S.Park*; 杉本 純

Proc. of 11th KAIF/KNS Annual Conf., 0, p.827 - 838, 1996/00

原研のALPHA計画では溶融炉心冷却材相互作用試験において、原子炉のシビアアクシデント時に溶融炉心と冷却材が接触した場合に起こる種々の相互作用について広範な研究を実施している。溶融物落下水蒸気爆発実験では、溶融炉心が冷却材中に落下した場合の水蒸気爆発の特性や種々のパラメータが水蒸気爆発の発生に与える影響について調べている。溶融物冷却性実験では、アクシデントマネジメントとして溶融炉心に冷却材を注入した場合を想定し、注水モードによる相互作用の違いを調べた。これらの研究から得られた成果は国のアクシデントマネジメントの検討等にも用いられている。新たにTMI-2号炉事故でみられたような圧力容器内底部に溜まった水中に溶融炉心が流れ込んだ場合の溶融炉心の冷却機構を調べる研究を開始した。これらの実験研究とともに、水蒸気爆発解析コードJASMINE等、計算モデルの開発も実施している。

報告書

水蒸気爆発解析コードJASMINEの開発

森山 清史; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 永野 勝尋*; 荒木 和博*; 杉本 純

JAERI-Data/Code 95-016, 50 Pages, 1995/11

JAERI-Data-Code-95-016.pdf:1.61MB

原子炉のシビアアクシデント時に格納容器の健全性を脅かす可能性を持つと考えられている水蒸気爆発現象の全過程のシミュレーションを目的とした解析コードJASMINE(JAeri Simulator for Multiphase INteraction and Explosion)を開発している。粗混合過程に関するモデルは(株)富士総合研究所が開発した粗混合解析コードMISTRALを基に、多相間の相互作用を記述する構成式や流動様式モデル等を粗混合過程解析のために変更したものである。試計算として固体粒子と水の混合についてのGlibertsonらの非加熱体系の実験、Angeliniらの加熱粒子を用いた実験(MAGCO)の条件で解析を行い、実験結果および他のコードの計算結果との比較を行った。

論文

Development of steam explosion analysis code JASMINE,I; Premixing model

森山 清史; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 永野 勝尋*; 荒木 和博*; 杉本 純

Proc., Seminar on the Vapor Explosions in Nuclear Power Safety,Kanzanji 1995, p.87 - 102, 1995/00

水蒸気爆発の全過程を解析する解析コードJASMINEの開発を行っている。現在開発を進めている粗混合モデルは、富士総研が開発した汎用二相流解析コードMISTRALを基に、水-蒸気の2相に溶融炉心の相を加えた3相モデルへの拡張、流動様式モデル、構成式の変更を行ったものである。固体粒子を用いたGilbertsonらの非加熱体系の実験、沸騰体系でのMAGICO実験の条件で解析を行い、実験結果およびAngeliniらのPM-ALPHAコードによる解析結果と比較して良好な一致を得た。今後、溶融物のブレークアップモデルの検証と改良、サブクール条件での安定性の改善、およびALPHA実験のデータに基づくモデルの改良を行うことにしている。伝播モデルについては、現在その基本的な枠組みについて検討している。

論文

Current status of large-scale steam explosion experiments

山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; 工藤 保; 杉本 純

Proc., Seminar on the Vapor Explosions in Nuclear Power Safety,Kanzanji 1995, 0, p.121 - 139, 1995/00

現在実施されている水蒸気爆発に関する大規模実験のうち代表的なものを紹介した。水蒸気爆発の機構は、初期粗混合、トリガー、衝撃波の拡大伝播、爆発領域の膨張の4段階に分けて考えるのが一般的であるが、その各段階に対応させて実験を分類した。まず、初期粗混合についてはFARO実験や高温粒子を用いる実験を、衝撃波の拡大・伝播についてはKROTOS実験を、爆発領域の膨張に関連してエネルギー変換効率を求める実験としてWFCI実験等を取り上げ、装置や実験結果を紹介した。また、化学反応の影響を調べる実験についても紹介した。続いて、原研のALPHA計画の溶融物落下水蒸気爆発実験について実験の概要や現在まで得られた成果、現状、今後の目指す方向について述べた。

論文

Overview of vapor explosions in nuclear power safety

杉本 純

Proc., Seminar on the Vapor Explosions in Nuclear Power Safety,Kanzanji 1995, 0, p.1 - 15, 1995/00

原子力安全における蒸気爆発について、歴史的背景、蒸気爆発現象の概要と特徴、原子炉事故との関連、主要な研究課題、研究の現状、国内外の関連する動向などを概括した。特に、原研で実施しているALPHA計画における蒸気爆発実験とJASMINEコード開発について内容の一端を紹介している。

報告書

蒸気爆発に関する実験的研究の概要

森山 清史; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 杉本 純

JAERI-Review 94-010, 40 Pages, 1994/12

JAERI-Review-94-010.pdf:1.51MB

これまでに行われた蒸気爆発の実験的研究について、とくに大規模実験に重点をおいて概要をまとめ、現在得られている知見を整理した。大規模実験にはピン体系の実験溶融物投下・注入型の実験、層状体系の実験などがある。最近、数値解析コードの検証データを提供することに重点をおいた粗混合実験、一次元体系での実験が行われている。1980年頃から、蒸気爆発現象の物理的解明を目的とした小規模実験が行われており、これには単一液滴実験、複数滴実験、層状体系の実験などがある。これまでの実験結果から、冷却材温度が飽和温度に近いときや高圧の条件下では自発的な蒸気爆発は起こりにくい、規模の大きい系でのエネルギー変換率は0.1~数%のオーダーである、などの知見が得られている。

論文

シビアアクシデント時の格納容器内熱流動の概要

杉本 純; 橋本 和一郎; 山野 憲洋; 丸山 結

日本原子力学会「原子炉格納容器信頼性実証試験に関する調査報告書,平成5年度」, 0, p.3 - 192, 1994/00

原子力学会では、平成3年度から3年間にわたり格納容器内熱流動挙動調査研究特別専門委員会を設置し、主としてシビアアクシデント時の格納容器内現象や新型格納容器に関する熱流動現象について調査研究を実施してきた。最終年度にあたる今年度に3年間の活動をまとめた報告書を作成することになり、著者らに原研で実施している研究を踏まえて関連分野について執筆するように要請があった。そこで、シビアアクシデント時の格納容器内熱流動挙動の概要、原研における水蒸気爆発実験、原研におけるデブリベッド冷却に関する実験と解析、原研における溶融炉心とコンクリート相互作用に関する実験と解析、格納容器フィルターベント、プールスクラビングの各項につき、ALPHA計画やソースターム評価試験(EPSI)、損傷炉心冷却性等の実験や解析で得られた知見をまとめた。

論文

Reactor accident scenarios and overview of large-scale experiments on vapor explosions

杉本 純; 森山 清史*; 山野 憲洋

Proc. of the Seminar on the Vapor Explosions in Nuclear Power Safety,Tateshina 1994, 0, p.33 - 66, 1994/00

軽水炉の蒸気爆発では、原子炉圧力容器内/外のような従来の分類に対し、格納容器内注水や圧力容器外部冷却などアクシデントマネジメントやTMI事故におけるリロケーションシナリオとの関連が近年着目されている。高速炉では、事象進展の推移に対応した燃料冷却材相互作用が考えられるが、ナトリウムの熱伝達特性が良く、自発核生成温度が高いことなどから、大規模な蒸気爆発は起き難いと理解されている。蒸気爆発の4過程と現象の主な特徴について概説するとともに、原研のALPHA実験をはじめ内外で実施された総合実験についてレビューした。今後の課題としては、総合コードの検証、スケーリングの確立、アクシデントマネジメントの有効性評価、小規模実験との整合性の検討などが必要であろう。

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