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論文

超短パルスレーザ加工によるFBGセンサの製作; 高温配管への実装と歪計測への応用

西村 昭彦

第62回光波センシング技術研究会講演論文集, p.79 - 86, 2018/12

蓄熱プラントは極めて有用であり膨大な再生可能エネルギーの変動を安定化させる。蓄熱プラントの安全な運転にとって、FBGによる遠隔計測が期待される。このFBGセンサはピコ秒レーザ加工により製作された。耐熱性を最大限発揮させるため、銀コロイド接着剤を使用して金属モールドの中に埋め込んだ。模擬実験のため敦賀地区にあるナトリウム循環ループを使用した。ナトリウムは500$$^{circ}$$Cの温度で配管内を循環する。実験中、緊急冷却が生じ配管収縮が記録された。先進的な遠FBGセンサを活用した隔計測技術が、蓄熱プラントが提案された。

論文

潜熱蓄熱を用いた核熱利用システムの熱負荷変動吸収

椎名 保顕; 西原 哲夫

日本原子力学会和文論文誌, 2(4), p.418 - 427, 2003/12

環状流路の内管と外管の間に相変化媒体(PCM)を配すると、PCMの相変化潜熱により内管を流れる伝熱流体温度の変動を低減化することができる。そこで、入口流体温度が周期的に変動する場合の伝熱流体温度変動の低減効果を、近似解析及び数値解析により求めた。その結果、ステップ状温度変化に対する近似解を得るとともに、PCMの熱伝導率を高くすると、低減効果が高くなることがわかった。この結果を用いて、核熱利用システムが、カスケード式に高温ガス炉に接続された場合の上流側システムの熱負荷変動を吸収する装置の実現可能性について検討した。10MWの熱を利用するシステムで、最大$$pm$$100Kの温度変動が発生した場合に、それに対処できる時間を3時間とすると、その間の熱負荷吸収に必要なPCMの量は約15m$$^{3}$$程であり、IHXと同じ寸法の伝熱管を用いると配管長さが約7mあれば温度変動を$$pm$$5K以内に低減化できることから、十分実現可能であることが示された。

論文

潜熱蓄熱用高温溶融塩と金属材料の共存性試験

椎名 保顕; 栗木 良郎*

日本原子力学会和文論文誌, 2(3), p.375 - 378, 2003/09

高温ガス炉の熱利用システムの高温熱負荷変動を低減化するには溶融塩の潜熱を利用することが有効である。その場合には、溶融塩と金属材料の共存性が問題となるため、溶融塩の融点付近における溶融塩と金属材料の共存性試験を行った。用いた溶融塩はCaCl$$_{2}$$+NaCl(融点490$$^{circ}$$C),LiCl(610$$^{circ}$$C),Li$$_{2}$$CO$$_{3}$$(723$$^{circ}$$C),NaCl(800$$^{circ}$$C)、 金属材料は炭素鋼,SUS316,310S,インコネル625,インコロイ825,アロイ600,ハステロイB2,ハステロイC276,ニッケルである。試験は窒素雰囲気で融点+10$$^{circ}$$Cに100時間保持して行った。その結果、純ニッケルは非常に優れた耐食性を示したが、インコネル625等のニッケル基合金の耐食性は必ずしも良くないことが示された。また、ある程度の腐食を許容すれば高温強度も含めてSUS310Sも構造材料の候補になりうると考えられる。

報告書

溶融塩と金属材料の共存性試験,2

椎名 保顕; 栗木 良郎*

JAERI-Tech 2003-070, 47 Pages, 2003/08

JAERI-Tech-2003-070.pdf:14.83MB

溶融塩を用いた潜熱蓄熱技術を用いると、高温から中温までの熱負荷変動を相変化潜熱で吸収させることができる。これを、高温ガス炉の複数の熱利用系の後段に取り付けることにより、核熱を高温から低温までカスケード的に利用することが可能となる。この場合、溶融塩と金属材料との共存性が問題となる。本研究では、前報に引き続き、溶融塩としてCaCl$$_{2}$$+NaCl, LiCl, Li$$_{2}$$CO$$_{3}$$, NaClの4種類を、また、金属構造材料としては、アロイ600, ハステロイB2, ハステロイC276, SUS310S及び純ニッケルを選択し、100時間の耐食性試験を実施して共存性を調べた。実験の結果、純ニッケルが卓越した耐食性を示した。ニッケル基合金であるアロイ600, ハステロイはLi$$_{2}$$CO$$_{3}$$, NaClに対して比較的低い耐蝕性を示した。SUS310Sはニッケル基合金と同程度の耐食性を示した。多少の腐食を許容するのであれば、一般に用いられるSUS310Sも構造材料の候補になりうると考えられる。溶融塩では、 Li$$_{2}$$CO$$_{3}$$が腐食性が高く、蓄熱材料として用いるには注意を要すると考えられる。

論文

潜熱蓄熱円筒カプセルの融解特性に及ぼす実効熱伝導率の影響に関する研究

椎名 保顕; 稲垣 照美*

日本機械学会論文集,B, 69(681), p.1233 - 1241, 2003/05

潜熱蓄熱の蓄熱媒体を多孔体金属に含浸させた複合蓄熱体について、実効熱伝導率が融解特性に及ぼす影響を解析的に調べ以下の結論を得た。解析で想定した蓄熱媒体はOctadecane,水,Li$$_{2}$$CO$$_{3}$$,NaCl,多孔体金属は銅,アルミニウム,炭素鋼である。(1)複合蓄熱体の実効熱伝導率を向上させることにより融解時間を減少させることができることを示した。蓄熱媒体の熱伝導率が低いほど、また、伝熱流体の熱伝達率が高いほど融解時間の減少率は大きくなる。(2)Stが小さい場合に、融解時間を表す近似解析結果を求め、数値解析結果とよく一致することを示した。(3)複合蓄熱体を用いるとフィンの場合より数倍から十倍程度相変化時間を短縮できる可能性がある。(4)非一様熱伝達率を用いた場合と、一様熱伝達率を用いた場合の融解時間の差はたかだか10%程度であり、一様熱伝達率を用いても大きな誤差は生じない。

報告書

溶融塩と金属材料の共存性試験,1

椎名 保顕; 栗木 良郎*

JAERI-Tech 2002-065, 58 Pages, 2002/08

JAERI-Tech-2002-065.pdf:17.5MB

溶融塩を用いた潜熱蓄熱技術を用いると、高温から中温までの熱負荷変動を相変化潜熱で吸収させることができる。これを利用すると核熱を高温から低温までカスケード的に利用することが可能となる。この場合、溶融塩は伝熱管や容器等と触れることになるため、溶融塩と金属材料との共存性が問題となる。本研究では、溶融塩として約490$$^{circ}C$$から800$$^{circ}C$$の間に融点を持つCaCl$$_{2}$$+NaCl,LiCl,Li$$_{2}$$CO$$_{3}$$,NaClの4種類、また、金属構造材料として一般に用いられている炭素鋼(SCMV4),SUS316,インコネル625,インコロイ825を選択し、真空電気炉において窒素ガス雰囲気で100時間の耐食試験を実施して共存性を調べ、材料選択の基礎資料とした。実験の結果、SUS316,インコネル,インコロイ等の高温用材料はCaCl$$_{2}$$+NaCl、及びLiClに対しては比較的良好な耐食性を示したが、NaCl及びLi$$_{2}$$CO$$_{3}$$に対してはどの材料もかなり腐蝕されることが示された。

報告書

多孔体に相変化物質を含浸させた複合蓄熱体の温度特性に関する研究; セラミックス及び金属多孔体を用いた場合(協力研究)

椎名 保顕; 小牧 克哉*; 田中 学*; 菱田 誠*

JAERI-Tech 2001-076, 49 Pages, 2001/11

JAERI-Tech-2001-076.pdf:2.3MB

高熱伝導率の多孔体に相変化物質を含浸させ、実効熱伝導率を向上させた潜熱蓄熱体により、熱伝達流体の温度変動を効果的に吸収することができる。これを用いると、高温ガス炉に接続された熱利用系の安全性を高めることができるのみならず、一般産業においても、一定温度の安定した熱源を作ることができるなど、多方面に利用することができる。多孔体にはセラミックスとしてジルコニア(ZrO$$_{2}$$,気孔率45.3%),金属としてニッケル・クロム(92.6%)及びニッケル(95.3%)を用い、それらにパルミチン酸を含浸させた複合蓄熱体を製作し、温度変動実験及び数値解析を行うことにより、複合蓄熱体の空間的・時間的温度変動を調べた。その結果、セラミックスを用いた複合蓄熱体に対して、金属多孔体を用いた複合蓄熱体は、内部温度の均一性が高いこと、長時間相変化温度に保持されることが示された。この理由は、金属多孔体を用いた複合蓄熱体は、気孔率が非常に高いにもかかわらず実効熱伝導率が高くなること、高い気孔率のために多量の相変化物質を含浸できるためであると結論できる。数値解析結果は実験結果と比較的良く一致した。さらに精度を上げるためには、気孔率の高い複合蓄熱体の物性値評価の精度向上,相変化物質の融解・凝固特性の正確な把握等が必要であることが示された。これらから、セラミックス多孔体より、金属多孔体を用いた方が温度吸収に用いる潜熱蓄熱体として有効であることが明らかになった。

報告書

アスファルト固化処理施設火災爆発事故の原因究明結果について(技術報告)

小山 智造; 藤田 秀人; 大森 栄一; 加藤 良幸; 鈴木 弘; 柴田 淳広; 重留 義明

JNC-TN8410 99-027, 423 Pages, 1999/12

JNC-TN8410-99-027.pdf:22.46MB

東海再処理施設のアスファルト固化処理施設において、平成9年3月11日に火災爆発事故が発生した。事故直後から、現場の状況把握・閉じこめ機能の回復・事故の拡大防止に努めるとともに、事故原因の究明のため精力的に調査検討を行ってきた。事故発生後2年間に及ぶ原因究明作業により、事故の原因をほぼ特定するに至った。主たる火災発生原因は、エクストルーダにおける物理的な発熱によりアスファルト混合物がドラムに充てんされる際の温度が異常に高温となったことである。この結果、充てん後の固化体中で緩やかな化学反応が継続し蓄熱発火に至った。エクストルーダ内における物理的な発熱は、エクストルーダに廃液を供給する速度を通常より低速にしたことにより発生した。爆発原因は、火災により換気機能が停止したアスファルト充てん室(R152)内にアスファルト固化体から放出された可燃性ガスが充満し、そこでアスファルト固化体の発火が起きたことによる。本報告ではこれらの事故原因を中心に、事故前・後の施設の状況、事故により放出された放射性物質の量、及び究明活動の結果得られた教訓を示す。

報告書

アスファルト固化処理施設火災爆発事故の中期的課題の対応; 充てん室内火災のシミュレーション

三浦 昭彦; 鈴木 美寿

JNC-TN8410 99-046, 35 Pages, 1999/10

JNC-TN8410-99-046.pdf:7.29MB

アスファルト固化処理施設火災爆発事故調査委員会において、爆発が生じた午後8時過ぎにアスファルト充てん室(R152)内において2回目の火災が起こったと結論づけられている。本報告は爆発後に発生した2回目の火災に注目し、アスファルト充てん室内の火災シミュレーションを実施した結果についてまとめたものである。火災シミュレーションを実施するため過去に行われた、燃焼・消火実験のデータを参考に充てん室モデルを作成し、気流温度・ふく射強度等を算出し、このデータを用いてエクストルーダ排出管(ゾーン8)への熱的影響および発火したドラムに隣接するドラムへの熱的影響を解析により求めた。この結果、爆発後にはじめに発火したドラムが30バッチで充てんされたドラムであると推定した。さらに、火災からのふく射により隣接するドラムは熱的に大きな影響を受けないため、発火したドラムは火炎により温度が上昇し熱暴走反応を引き起こしたのではなく、発火した29バッチ以降のドラムは全て高温で充てんされたものと推定できる結果を得た。

報告書

多孔質セラミックス蓄熱体の試作及び熱物性と温度特性に関する研究; 蓄熱媒体としてNa$$_{2}$$CO$$_{3}$$,MgCl$$_{2}$$,CaCl$$_{2}$$の混合塩を用いた場合

椎名 保顕

JAERI-Tech 98-056, 64 Pages, 1998/12

JAERI-Tech-98-056.pdf:2.36MB

固液相変化蓄熱を利用した高温高密度の蓄熱技術開発の基礎研究として、多孔質セラミックスに溶融塩を含浸させたセラミックス蓄熱体を試作し、強度、熱物性、温度特性を調べた。多孔質セラミックスとしては熱衝撃に強いZrO$$_{2}$$を用い、蓄熱物体としてはNa$$_{2}$$CO$$_{3}$$,MgCl$$_{2}$$,CaCl$$_{2}$$の混合塩を用いた。実験の結果、使用した溶融塩は空気中の水分を吸収し、変質したり、融解・凝固のくり返しにより蒸発し質量減少を生ずる可能性があるため、密閉雰囲気中で使用する必要があることが示された。また、温度変動域を適切に選択すると、雰囲気温度が変動しても蓄熱体中心温度の変動を小さく抑えることができるため、熱負荷変動吸収のために蓄熱体を利用できる可能性があることが示された。

報告書

Comparison between a steady-state fusion reactor and an inductively driven pulse reactor

村上 好樹*; 堀池 寛; 黒田 敏公*; 松崎 誼; 下村 安夫; 杉原 正芳

JAERI-M 92-056, 53 Pages, 1992/04

JAERI-M-92-056.pdf:1.22MB

誘導電流のみからなるパルス炉の特性を明らかにし、代表的なトカマク型定常炉であるSSTRとの比較を行なった。パルス炉はSSTRに比べてトロイダル磁場を低くできること、トロヨン係数が小さいこと、エネルギー閉じ込めがよいことがわかったが、数千秒の燃焼時間を確保するためにはプラズマ大半径を1m程度大きくしなければならないことが明らかになった。パルス炉の運転領域は定常炉に比べて低温高密度となるためダイバータ熱負荷は軽減されるが、一方で熱的不安定性が重要な課題となることがわかった。本報告では定常電気出力を得るための蓄熱器および蓄電システムの検討も行なった。その結果、パルス炉の総合的効率は必ずしも定常炉より悪くないが、システムが大型化することが明らかになった。また熱サイクル疲労については応力レベルを定常炉の3分の1程度に低減する必要があることがわかった。

口頭

硝酸塩含有廃棄物の地層処分における安全性に関する研究,1; 模擬固化体の熱測定及びデータ解析

杤山 修*; 長谷川 和俊*; 原 啓二*; 桐島 陽*; 三原 守弘

no journal, , 

本研究では、硝酸塩含有廃棄物の地層処分における安全性を評価することを目的として廃棄物中の硝酸塩と有機物の酸化還元反応の機構解明のための高感度熱量計による模擬固化体の熱測定及びデータ解析を行い、発熱速度のモデル化検討を行った。アレニウス則に基づく界面反応の擬ゼロ次反応モデルに相変化及び拡散律速を考慮することで、測定された発熱曲線を再現できることが分かった。熱反応暴走の可能性検討において、低温域(200$$^{circ}$$C以下)の微少発熱が重要であることから、今後当該領域における高感度熱測定データの拡充と高精度の反応速度定数の算定を行う必要がある。

口頭

硝酸塩含有廃棄物の地層処分における安全性に関する研究,2; 温度解析による安全性の検討

野中 宏祐; 三原 守弘; 原 啓二*; 杤山 修*

no journal, , 

硝酸塩と有機物が多量に混在する場合(アスファルト固化体)、特殊な条件下ではこれらが化学反応を起こし、熱反応暴走する可能性がある。地層処分においてはこのような熱反応暴走の可能性を検討することは重要であり、本研究では熱反応暴走に至る最低温度(蓄熱発火温度(SIT: Self-heating Ignition Temperature))について検討した。アスファルト固化体の発熱特性を模擬固化体の熱分析データ(同主題(1)模擬固化体の熱測定及びデータ解析)より定式化し温度解析を行った結果、SITは185$$^{circ}$$Cと評価された。評価されたSITは185$$^{circ}$$Cであることから通常の地層処分環境では熱反応暴走を起こす可能性は低いと考えられるが、SITは固化体の低温域の反応速度定数等に大きく依存するため、今後精度の高いパラメータの取得を行う予定である。

口頭

Introduction of a new thermal storage power station monitored by heat resistant FBG sensors

西村 昭彦; 竹仲 佑介*; 三枝 邦夫; 廣木 成治; 藤野 徹*; 天野 民生*; 岡崎 徹*; 吉田 一雄*

no journal, , 

自然循環エネルギーの利用拡大には、エネルギー変動を吸収する仕組みが不可欠である。現在、世界では溶融塩を蓄熱材料とした大規模な太陽熱発電が、低緯度乾燥地帯の諸国で実施されている。我が国においても平成30年度の新施策として溶融塩蓄熱プラントの導入に向けた開発が始まった。この新しい概念を紹介するとともに、これまで主として高速炉の安全性向上のため開発してきた耐熱FBGセンサの蓄熱プラントへの活用について報告する。

口頭

Introduction of heat storage power plants and the maintenance technologies

西村 昭彦; 岡崎 徹*

no journal, , 

福島第一原子力発電所の事故を受けて、日本のエネルギー政策に構造的な変化を起こしている。現在、いくつかの原子力発電所は再稼働することができたが、今後は再生エネルギーの一層の普及のための科学技術の高度化が必要となる。2018年より環境省主導の新施策として熱を利用した再生エネルギー発電の出力変動を平準化する技術開発と実証が進められることとなった。本プロジェクトは地熱発電を人工的に模擬するものであり、高温の溶融塩を蓄熱材料として使用する。再生エネルギーとして、風力や太陽光を使用する。エネルギー総合研究開発機構が代表とりまとめとして実施する本プロジェクトの概要と、このプロジェクトで使用する耐熱歪センサによるプラントの常時監視システムなど、原子力機構で開発したレーザー応用技術について紹介する。加えて、福島県の再生エネルギー開発のこれまでと現在の試みについて述べる。

口頭

Laser based maintenance technologies and a heat storage power station

西村 昭彦; 若井田 育夫; 岡崎 徹*; 安濃田 良成*

no journal, , 

原子力機構ではレーザーを基盤技術とした高速炉の安全性向上に有用な技術を開発してきた。技術には、複合型光ファイバを用いた伝熱管内壁検査補修技術をはじめ、燃料デブリの組成分析のためのレーザー誘起プラズマ分光技術、及びピコ秒レーザー微細加工による耐熱歪計測センサーによる配管の歪モニタリング等がある。これらの技術を導入する対象として、溶融塩による蓄熱発電所を取り上げ紹介する。

口頭

Laser based maintenance technologies for a thermal storage power plant

西村 昭彦; 岡崎 徹*

no journal, , 

環境省による新施策として蓄熱発電が新たに導入される。この発電プラントの安全性向上のため、原子炉の安全性向上を目的に開発したレーザー保守保全を活用することを提案する。

口頭

耐熱FBGセンサによるNa循環ループ建設溶接ひずみの緩和現象の発見; 日本初カルノーバッテリーシステムへの適用について

西村 昭彦

no journal, , 

東日本大震災を経た現在、日本再興戦略の政府方針の下で、IoTを最大限活用する施策が進められている。建築土木の分野では、構造体の健全性モニタリングとして、高速多点計測が可能なFiber Bragg Grating (FBG)センシングの導入が進められている。講演者が開発した耐熱FBGセンサの普及が進めば、再稼働が進む原子力発電所や高経年化が懸念される石油化学プラントなど、高温かつ高圧の流体を輸送する施設の配管やタンクの溶接部の健全性の監視に役立つ。講演では、点描法を用いたパルスレーザ加工による耐熱FBGセンサの開発と高温Na配管への実装について経緯を振り返る。また、日本で初めて導入されるカルノーバッテリーシステム(溶融塩蓄熱発電)についての適用について発表する。

口頭

Proposal of safety management by optical sensing using heat resistant FBG sensors for thermal energy storage plant

西村 昭彦; 竹仲 佑介; 安濃田 良成

no journal, , 

福島原子力発電所の事故により日本のエネルギー事情は大きく変化し、再生可能エネルギーの導入が希求されるようになった。エネルギーベストミックスと再生可能エネルギーの安定化のために、レーザー技術に基盤を置く保守保全技術が蓄熱プラントという新たな概念に役立つことになる。レーザー技術の中でも、耐熱FBGセンサによる歪測定技術は、蓄熱プラントのために最も有効な技術となり得る。光ファイバに回折格子構造(FBG)を描き込んだ耐熱FBGセンサのは金属接着剤による強固に保護された。これまで開発した技術の活用と蓄熱プラントへの適用に向けての新たな課題について述べる。

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