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論文

The Effects of addition of carbon dioxide and water vapor on the dynamic behavior of spherically expanding hydrogen/air premixed flames

勝身 俊之; 吉田 康人*; 中川 燎*; 矢澤 慎也*; 熊田 正志*; 佐藤 大輔*; Thwe, T. A.; Chaumeix, N.*; 門脇 敏

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 16(2), p.21-00044_1 - 21-00044_13, 2021/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:51.09(Thermodynamics)

水素/空気予混合火炎の動的挙動の特性に及ぼす二酸化炭素と水蒸気の添加の影響を実験的に解明した。シュリーレン画像により、火炎面の凹凸が低い当量比で明瞭に観察された。火炎半径が大きくなると共に伝播速度は単調に増加し、火炎面の凹凸の形成に起因する火炎加速が生じた。不活性ガスの添加量を増やすと、特にCO$$_{2}$$添加の場合、伝播速度が低下した。さらに、マークスタインの長さと凹凸係数が減少した。これは、CO$$_{2}$$またはH$$_{2}$$Oの添加が水素火炎の不安定な動きを促進したことを示してあり、拡散熱効果の強化が原因であると考えられる。水素火炎の動的挙動の特性に基づいて、火炎加速を含む伝播速度の数学モデルで使用されるパラメータが得られ、その後、さまざまな条件下での火炎伝播速度が予測された。

論文

CFD analysis of hydrogen flame acceleration with burning velocity models

茂木 孝介; Trianti, N.; 松本 俊慶; 杉山 智之; 丸山 結

Proceedings of 18th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-18) (USB Flash Drive), p.4324 - 4335, 2019/08

Hydrogen managements under severe accidents are one of the most crucial problems and have attracted a great deal of attention after the occurrence of hydrogen explosions in the accident at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in March 2011. The primary purpose of our research is improvements in computational fluid dynamics techniques to simulate hydrogen combustion. Our target of analysis is ENACCEF2 hydrogen combustion benchmark test conducted in the framework of ETOSON-MITHYGENE project. Flame acceleration experiments of hydrogen premixed turbulent combustions were simulated by the Turbulent Flame Closure (TFC) model. We implemented several laminar flame speed correlations and turbulent flame speed models on XiFoam solver of OpenFOAM and compared the results to investigate the applicability of these correlation and model equations. We found that all the laminar flame speed correlations could predict qualitative behavior of the flame acceleration, but Ravi & Petersen laminar flame speed correlation that is originally implemented in OpenFOAM underestimated the maximum flame speed for the lean hydrogen concentration. Zimont model and G$"u$lder model of the turbulent flame speed could reasonably simulate the flame acceleration behavior and maximum pressure peaks. The flame velocities calculated with G$"u$lder model tend to be faster than that calculated with Zimont model.

論文

Computational fluid dynamics analysis for hydrogen deflagration tests at ENACCEF2 facility

Trianti, N.; 佐藤 允俊*; 杉山 智之; 丸山 結

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

Simulation techniques have been developed to analyze the deflagration behavior of hydrogen generated during a hypothetical severe accident in nuclear power plants. The CFD analysis was carried out on the hydrogen deflagration experiment performed at the ENACCEF2 facility composed mainly of a vertical cylindrical tube filled with hydrogen-air mixture and nine annular obstacles were placed in the lower part of the tube. The simulation was carried out by the reactingFoam solver of OpenFOAM 3.0, an open source software for the CFD analysis. The RNG (Renormalization group) k-$$varepsilon$$ model was applied for turbulent flow. The interaction of the chemical reaction with the turbulent flow was considered using PaSR (Partial Stirred Reactor) model with 19 elementary reactions for the hydrogen combustion. The analysis result showed the characteristic of flame acceleration by the obstacle region was qualitatively reproduced even though has discrepancy with the experiment.

論文

Fluid dynamic analysis on hydrogen deflagration in vertical flow channel with annular obstacles

松本 俊慶; 佐藤 允俊; 杉山 智之; 丸山 結

Proceedings of 25th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25) (CD-ROM), 6 Pages, 2017/07

Hydrogen combustion including deflagration and detonation could become a significant threat to the integrity of containment vessel or reactor building in a severe accident of nuclear power stations. In the present study, numerical analyses were carried out for the ENACCEF No.153 test to develop computational techniques to evaluate the flame acceleration phenomenon during the hydrogen deflagration. This experiment investigated flame propagation in the hydrogen-air premixed gas in a vertical channel with flow obstacles. The reactingFoam solver of the open source CFD code, OpenFOAM, was used for the present analysis. Nineteen elementary chemical reactions were considered for the overall process of the hydrogen combustion. For a turbulent flow, renormalization group (RNG) k-e two-equation model was used in combination with wall functions. Three manners of nodalization were applied and its influences on the flame propagation acceleration were discussed.

報告書

日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門第16回光量子科学研究シンポジウム論文集; 2015年10月15日$$sim$$16日,京都府木津川市

光量子科学研究シンポジウム事務局

JAEA-Conf 2016-001, 53 Pages, 2016/03

JAEA-Conf-2016-001.pdf:6.17MB

平成27年10月15日-16日の2日間にわたり「第16回光量子科学研究シンポジウム」を関西光科学研究所木津地区において開催した。本プロシーディング集にはそこで行われた講演およびポスター発表のうちから、プロシーディングとして投稿されたものを収録している。

論文

Development of prediction technology of two-phase flow dynamics under earthquake acceleration, 16; Experimental and numerical study of pressure fluctuation effects on bubble motion

加藤 由幹; 吉田 啓之; 横山 諒太郎*; 金川 哲也*; 金子 暁子*; 文字 秀明*; 阿部 豊*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 8 Pages, 2015/05

In this study, visualization experiment for the bubbly flow in a horizontal pipe excited by oscillation acceleration was performed to understand bubbly flow behavior under earthquake acceleration. Liquid pressure was also measured at upstream and downstream of the test section. In addition, to consider detailed effects of pressure gradient on bubble motion, numerical simulation of two-phase flow in horizontal pipe with vibration was performed by a detailed two-phase flow simulation code with an advanced interface tracking method: TPFIT. Based on observed images and calculated results, bubble velocity was evaluated. It was confirmed that the pressure gradient amplitude increased with the increase of the frequency of the table. In addition, it was observed that the bubble velocity amplitude also increases with the increase of the frequency of the table. It was concluded that the bubble motion was strongly affected by the pressure gradient in the test section.

論文

Beam size reduction of a several hundred-keV compact ion microbeam system by improving the extraction condition in an ion source

石井 保行; 大久保 猛; 神谷 富裕; 齋藤 勇一

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.79 - 82, 2015/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:20.43(Instruments & Instrumentation)

A hundreds-keV compact ion microbeam system with a three-stage acceleration lens is under development to form an ion beam of several micrometers in diameter. A proton beam of 17$$mu$$m in diameter was formed in the previous study and the smaller beam size could be expected at the lower pressure. In this study, the vacuum system at the extraction space was improved and the relation between the beam size and vacuum pressure was examined by forming hydrogen ion beams at 130 keV. As a result, the beam size of 5.8 $$mu$$m which almost satisfied our present goal was obtained at the achievably lowest pressure (5$$times$$10$$^{-4}$$ Pa).

論文

Enhancement of maximum attainable ion energy in the radiation pressure acceleration regime using a guiding structure

Bulanov, S. S.*; Esarey, E.*; Schroeder, C. B.*; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 神門 正城; Pegoraro, F.*; Leemans, W. P.*

Physical Review Letters, 114(10), p.105003_1 - 105003_5, 2015/03

AA2014-0849.pdf:0.58MB

 被引用回数:26 パーセンタイル:82.23(Physics, Multidisciplinary)

It is shown that there is a fundamental limit on the maximum attainable ion energy, which is determined by the group velocity of the laser.

論文

Effect of electromagnetic pulse transverse inhomogeneity on ion acceleration by radiation pressure

Lezhnin, K.*; Kamenets, F. F.*; Beskin, V.*; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Bulanov, S. V.

Physics of Plasmas, 22(3), p.033112_1 - 033112_9, 2015/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:32.73(Physics, Fluids & Plasmas)

The transverse inhomogeneity effect is described analytically within the framework of a thin foil target model and with the particle-in-cell simulations showing that the maximum energy of accelerated ions decreases when the displacement from the axis of the target initial position increases.

論文

Acceleration of highly charged GeV Fe ions from a low-Z substrate by intense femtosecond laser

西内 満美子; 榊 泰直; Esirkepov, T. Z.; 西尾 勝久; Pikuz, T.*; Faenov, A.*; Skobelev, I. Yu.*; Orlandi, R.; 佐甲 博之; Pirozhkov, A. S.; et al.

Physics of Plasmas, 22(3), p.033107_1 - 033107_8, 2015/03

 被引用回数:64 パーセンタイル:97.23(Physics, Fluids & Plasmas)

200TWの超高強度レーザーパルスをミクロンメートルのアルミの薄膜に鉄の不純物を混ぜたターゲットに照射することで、ほぼフルストリップに近い鉄のイオンが0.9GeVで加速された。低エミッタンスで、重いイオンのビームが高いQ/Mで得られることは、いろいろな分野への応用が考えられ、例えば、既存加速器技術との融合によってコンパクトなRIイオン源の開発が考えられる。

論文

Development of prediction technology of two-phase flow dynamics under earthquake acceleration

吉田 啓之; 永武 拓; 高瀬 和之; 金子 暁子*; 文字 秀明*; 阿部 豊*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 1(4), p.TEP0025_1 - TEP0025_11, 2014/08

In this study, to develop the predictive technology of two-phase flow dynamics under earthquake acceleration, a detailed two-phase flow simulation code with an advanced interface tracking method TPFIT was expanded. In addition, the bubbly flow in a horizontal pipe excited by oscillation acceleration and under the fluctuation of the liquid flow was simulated by using the modified TPFIT. In the results, it was confirmed that the modified TPFIT can predict time dependent velocity distribution around the bubbles and shapes of bubbles qualitatively. The main cause of bubble deformation observed is large shear stress at the lower part of the bubble, and this large shear stress is induced by the velocity difference between the liquid phase and bubble. Moreover, we discussed about the difference between both effects of flow rate fluctuation and structure vibration on two-phase flow. In the results, bubble acceleration of the structure vibration case was larger than that of the flow rate fluctuation case. Finally, it was concluded that unsteady shear stress induced by vibration of the pipe wall was one of the main driving forces of bubble motion in structure vibration case.

論文

Development of beam-pointing stabilizer on a 10-TW Ti:Al${tiny 2}$O${tiny 3}$ laser system JLITE-X for laser-excited ion accelerator research

森 道昭; Pirozhkov, A.; 西内 満美子; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 林 由紀雄; 織茂 聡; 福見 敦*; Li, Z.*; 加道 雅孝; et al.

Laser Physics, 16(7), p.1092 - 1096, 2006/07

 被引用回数:36 パーセンタイル:81.29(Optics)

レーザープラズマ相互作用などのパラメーターサーチ的な研究において、レーザーの安定的な供給は実験結果の信頼性を確保する意味で重要な課題である。本研究では、実験データの信頼性向上を目的に、最終的には従来の10TWレーザー装置に付加的にレーザーポインティングスタビライザーを設置する形で開発を進めている。これまでに装置本体の開発を終え、別のテラワットレーザーを用いて、100uradのポインティング安定性を10uradまで向上させることを実証している。これは、f/1の集光光学系で実験を行った場合に集光強度のゆらぎが40%$$sim$$3%以下に抑制されていることを意味する。

論文

Acceleration of MeV-class energy, high-current-density H$$^{-}$$-ion beams for ITER neutral beam system

谷口 正樹; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 渡邊 和弘; 花田 磨砂也; 関 孝義*; 大楽 正幸; 坂本 慶司

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A514_1 - 03A514_4, 2006/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:56.19(Instruments & Instrumentation)

ITER用中性粒子入射装置では、放射線誘起伝導のため高電圧の絶縁にSF6等の絶縁ガスが使用できない。このため、原研では加速器全体を真空中に置く真空絶縁型加速器(VIBS)の開発を行っている。大型電界緩和リングの装着等の耐圧改善を行った結果、加速可能な負イオン電流密度は大きく増大し、900keVにおいて0.1Aレベルのビームを運転期間中175ショット安定に加速することに成功した。また、ITERで要求されるイオン源運転ガス圧条件($$<$$0.3Pa)を満たす領域で、電流密度146A/m$$^{2}$$(エネルギー836keV)の負イオンビーム加速に成功し、ITER NBIに向けて着実に性能が向上していることを示した。

論文

Single-turn extraction technique for the JAERI AVF cyclotron

倉島 俊; 宮脇 信正; 奥村 進; 石堀 郁夫; 吉田 健一; 柏木 啓次; 福田 光宏; 奈良 孝幸; 上松 敬; 中村 義輝

JAEA-Review 2005-001, TIARA Annual Report 2004, p.349 - 351, 2006/01

原研AVFサイクロトロンでは、高エネルギーイオンビームの生物への照射効果や宇宙用半導体のシングルイベント効果の研究をより微細な領域で行うために、集束方式のマイクロビーム形成技術によりビームスポット径及び照準位置精度1ミクロンを目指して研究開発を行っている。サイクロトロンによって加速されたビームをスポット径1ミクロンに集束させるためには、四重極レンズでの色収差の影響を考慮する、ビームのエネルギー幅を0.02%以下にする必要がある。そこで、エネルギー幅を最小化するために、加速電圧波形を最適化してビームのエネルギー利得を均一化するフラットトップ加速技術の開発を行っている。フラットトップ加速を実現するためには、一つのビームバンチを一度に取り出すシングルターン取り出しが必要条件である。シングルターン取り出しを簡便に確認するために高分解能デフレクタプローブを開発し、ネオン260MeVのビーム開発を行った結果、従来に比べて短時間でシングルターン取り出しが可能になった。また、高エネルギーのプロトンビームのフラットトップ加速も行い、従来に比べて高い引き出し効率が得られ、放射化を低減できることがわかった。

論文

Focused microbeam formation for heavy ion beam from AVF cyclotron

横田 渉; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 酒井 卓郎; 奥村 進; 倉島 俊; 宮脇 信正; 柏木 啓次; 福田 光宏

JAEA-Review 2005-001, TIARA Annual Report 2004, p.291 - 292, 2006/01

高崎研究所のTIARAでは、高LET重イオンを用いた生体機能の解明や、宇宙用半導体のシングルイベント発生機構の解明等に利用するため、サイクロトロンで加速した数百MeVの重イオンビームを、4連四重極磁気レンズにより1$$mu$$m以下の直径に集束するマイクロビーム形成装置の開発を進めている。ビームのエネルギーの広がり($$Delta$$E/E)を1$$mu$$mの達成に必要な0.02%以下にするために、サイクロトロンにおいてフラットトップ加速を導入するとともに、主要ビームラインの再アラインメント及びビーム径計測方法の改良を行った。この結果、260MeV-Neビームを用いて、最小で2$$mu$$m以下のマイクロビームが形成されたことを確認した。

報告書

第6回光量子科学研究シンポジウム論文集; 2004年11月4日-5日,木津

関西研究所

JAERI-Conf 2005-004, 243 Pages, 2005/06

JAERI-Conf-2005-004.pdf:16.74MB

第6回光量子科学研究シンポジウムが、平成16年11月4日,5日の両日、日本原子力研究所関西研究所(木津地区)において開催された。本論文集は、同シンポジウムにおいて行われた招待講演5件を含む講演16件,平成15年度実施した光量子科学に関する協力研究・共同研究課題発表を含むポスター発表56件のうち、論文として投稿された58件を収録している。

論文

Acceleration of 100 A/m$$^{2}$$ negative hydrogen ion beams in a 1 MeV vacuum insulated beam source

谷口 正樹; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘; 関 孝義*; 坂本 慶司

AIP Conference Proceedings 763, p.168 - 175, 2005/04

ITER-NBI用負イオン源には200A/m$$^{2}$$の高密度重水素負イオンビームを1MeVに加速し、40Aのビームを生成することが求められている。この加速器では、プラズマからの放射線による放射線誘起伝導(RIC)が問題となるため絶縁ガス(SF6等)を使用できない。このため、原研では真空中に加速器構造全体をおいて高電圧を絶縁する真空絶縁型加速器(VIBS; Vacuum Insulated Beam Source)の開発を行ってきた。これまでに約1.8mまでの真空長ギャップ放電特性を明らかにし、また、加速絶縁管の耐圧を3重点の電界緩和によって改善した。負イオンビーム加速では、負イオン源にセシウムを添加して大電流密度ビーム加速試験を行い、100A/m$$^{2}$$級の負イオン加速時にもVIBSの耐電圧に問題が無いことを実証した。現在までに、800keVで102A/m$$^{2}$$(141mA)までの加速に成功し、負イオン生成部のさらなる調整によってITERでの目標の200A/m$$^{2}$$の加速の見通しを得ている。

論文

レーザー駆動イオン加速

大道 博行

プラズマ・核融合学会誌, 81(4), p.261 - 269, 2005/04

本報告は、プラズマ・核融合学会誌の小特集「レーザープラズマ粒子加速器開発の最近の進展」に投稿する論文の一つである。レーザーはその発明以来短パルス化が追求され、それに対応して高出力化が進んできた。1990年代にはチャープパルス増幅法を用いて高出力化は飛躍的に進んだ。本小論では、この超短パルス高強度レーザーを用いた高エネルギーイオン発生についてレビューする。まずイオンの発生機構をまとめる。次に世界のイオン発生実験のまとめを行う。特に実用的レーザーイオン源開発に不可欠な、パルス幅100fs以下の小型高繰り返しレーザーを用いた実験に注目してまとめる。次に現在までの知見をもとにして、レーザーを用いたイオン加速器開発とその利用の可能性に言及する。最後に全体をまとめ、現状での課題を鮮明にする。

論文

Sedimentation of substitutional solute atoms in In-Pb system alloy under strong gravitational field; Experiments and simulations

小野 正雄; 木下 貴博*; 上野 秀人*; Huang, X.*; 長壁 豊隆; 真下 茂

Materials Transactions, 46(2), p.219 - 224, 2005/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:52.75(Materials Science, Multidisciplinary)

本研究では、In-Pb系合金について超重力場実験を行い原子の沈降と相平衡について調べた(最大加速度:100万Gレベル,温度:融点直下(固体),出発試料:中間相の$$alpha$$相単相(面心正方晶),時間:30-150h)。回収試料は、重力方向にPbの濃度が増加して重力と反対方向にInの濃度が増加する傾斜構造を形成していた。100時間実験後の回収試料では、単相の出発状態から、重力側にPb相、反対側にIn相が出現し、それぞれの同一結晶構造内での格子定数が連続的に変化していることがわかった。以上から、この傾斜構造は原子スケールの傾斜構造であり、置換型溶質原子であるInとPb原子の沈降によって形成されたものであることが確認された。また、時間条件を変えた3つの実験結果(30h, 60h, 150h)から、60時間以下で定常状態に達したことがわかった。沈降プロセスのシミュレーションを行った結果、沈降の拡散係数が、化学ポテンシャルによる一般的な拡散係数の8倍と見積もられた。以上の結果は、この系の沈降の拡散メカニズムが一般的な拡散メカニズムと異なることを示唆している。

論文

Electron acceleration by a nonlinear wakefield generated by ultrashort (23-fs) high-peak-power laser pulses in plasma

神門 正城; 益田 伸一; Zhidkov, A.*; 山崎 淳; 小瀧 秀行; 近藤 修司; 本間 隆之*; 金沢 修平; 中島 一久; 林 由紀雄; et al.

Physical Review E, 71(1), p.015403_1 - 015403_4, 2005/01

 被引用回数:33 パーセンタイル:78.71(Physics, Fluids & Plasmas)

現在まででは最短のパルス幅(23fs)で相対論的な高出力(20TW)のレーザーを、不足密度プラズマ中に強く集光する実験を行った。プラズマ密度が10$$^{20}$$cm$$^{-3}$$の領域で、MeVを越えるエネルギーの電子の発生を確認した。このMeV電子は、2温度分布をしており、シミュレーションの結果から、波の破砕機構の違いから生じていると考えられる。高温部の電子は、レーザーのプリパルスにより作られるプラズマ密度のキャビティー部での速い入射により形成され、パルス幅はフェムト秒であり、一方、低温部の電子は相対論的強度による波の破壊により加速されたもので、ピコ秒のパルス幅を持つことがわかった。

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