Elucidation of solid particle interfacial phenomena in liquid sodium; Magnetic interactions on liquid metal and solid atoms at the solid interface

Tei, C.; 大高 雅彦; 桑原 大介*

Chemical Physics Letters, 829, p.140755_1 - 140755_6, 2023/10

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2023.140755

固体金属粒子の界面に付着した液体ナトリウムの核磁気共鳴(NMR)信号を初めて検出することに成功した。本研究では、液体ナトリウムと液体ナトリウム中に浮遊する金属粒子との相互作用の違いによる緩和時間の違いを確認した。その結果、微小チタン粒子表面と液体金属ナトリウムは化学的ではなく物理的に相互作用していることが明らかとなった。

JRR-3冷中性子源装置の新型減速材容器に関わる熱流力設計

徳永 翔; 堀口 洋徳; 中村 剛実

JAEA-Technology 2023-001, 37 Pages, 2023/05

JAEA-Technology-2023-001.pdf:1.39MB

研究用原子炉JRR-3の冷中性子源装置(Cold Neutron Source: CNS)は、原子炉内で発生した熱中性子を減速材容器内に貯留した液体水素により減速し、エネルギーの低い冷中性子に変換する装置である。CNSから発生した冷中性子は、中性子導管を用いて実験装置に輸送され、生命科学、高分子科学、環境科学等を中心とする多くの物性研究に利用されている。中性子科学における世界の研究用原子炉との競争力を維持するためには、冷中性子強度の改善は不可欠であり、新たな知見を取り入れた新型CNSの開発を進めている。現行のJRR-3のCNSの減速材容器は、水筒型のステンレス製容器を採用しており、材質及び形状の変更により冷中性子束の強度を向上させることが可能である。そのため、新型減速材容器の基本仕様は、材質を中性子吸収断面積の小さいアルミニウム合金に変更し、さらに、モンテカルロ計算コードMCNPを用いて最適化した容器形状に変更した。これらの仕様変更に伴い、発熱や伝熱の条件に変更が生じることから、熱流力設計上の成立性を確認するため、JRR-3のCNSについて自己平衡性、熱輸送限界及び耐熱・耐圧等について改めて評価を行った。本報告書は、新型減速材容器に関わる熱流力設計上の評価を実施し、その結果を纏めたものである。

Large-eddy simulation on two-liquid mixing in the horizontal leg and downcomer (the TAMU-CFD Benchmark), with respect to fluctuation behavior of liquid concentration

安部 諭; 岡垣 百合亜

Nuclear Engineering and Design, 404, p.112165_1 - 112165_14, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112165

Pressurized Thermal Shock (PTS) is induced potentially by the rapid cooling of the cold-leg and downcomer wall in the primary system of a Pressurized Water Reactor (PWR) due to the initiation of Emergency Core Cooling System (ECCS). Thus, fluids mixing in a horizontal cold-leg and downcomer should be predicted accurately; however, turbulence production and damping often hinders this prediction due to the presence of the density gradients. Hence, the Fifth International Benchmark Exercise, the cold-leg mixing Computational Fluid Dynamics (CFD) Benchmark, was conducted under the support of OECD/NEA. The experiment was designed for visualization of the mixing phenomena of two liquids with different densities. The heavy liquid was a simulant of cold water from ECCS, in a horizontal leg and downcomer. We used the Large-eddy Simulation (LES) to investigate the time fluctuation behaviors of velocity and liquid concentration. The CFD simulation was performed with two turbulence models and three different numerical meshes. We investigated the characteristics of the appearance frequency of the heavy liquid concentration with the statistical method. Based on our findings, we propose further experiments and numerical investigations to understand the fluid mixing phenomena related to PTS.

Effect of gas density and surface tension on liquid film thickness in vertical upward disturbance wave flow

Zhang, H.*; 森 昌司*; 久野 努*; 吉田 啓之

International Journal of Multiphase Flow, 159, p.104342_1 - 104342_15, 2023/02

https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.104342

At the gas-liquid interface, disturbance waves with various heights commonly arise. Because the thin liquid film between two successive disturbance waves leads to the dryout on the heating surface and limits the performance of the heating components, complete knowledge of the film thickness and disturbance waves is crucial. However, most existing experimental data and analysis are limited to near atmospheric conditions, and the liquid gas density ratio is much higher than in practical nuclear applications. In this study, we use nitrogen gas and water under the system pressures of 0.2 and 0.4 MPa and HFC134a gas and water under the system pressure of 0.7 MPa. The density ratio can be varied between 32 and 434. Based on experimental results, two models are proposed to predict the averaged film thickness and wave height, which are then compared with previous data.

Liquid phase sintering of alumina-silica co-doped cerium dioxide CeO ceramics

Vauchy, R.; 廣岡 瞬; 渡部 雅; 横山 佳祐; 砂押 剛雄*; 山田 忠久*; 中道 晋哉; 村上 龍敏

Ceramics International, 49(2), p.3058 - 3065, 2023/01

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.295

Pure and low -AlO-SiO co-doped ceria specimens were prepared by conventional ceramic processing using powder metallurgy. The effect of co-doping on the microstructural and structural properties of cerium dioxide was investigated by means of optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The co-addition of alumina and silica promoted liquid phase sintering (LPS) and significantly contributed to grain growth, even in the small concentrations of the present study (1 wt% and 2 wt%). A glassy-look phase precipitated at the grain boundaries, characteristic of liquid phase sintering. The addition of dopants to the formulation greatly enhanced the grain growth process without disturbing the CeO structure.

Measurement of fragments of a wall-impinging liquid jet in a shallow pool

堀口 直樹; 吉田 啓之; 金子 暁子*; 阿部 豊*

Proceedings of 12th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS12) (Internet), 6 Pages, 2022/10

シビアアクシデント時の軽水炉の安全性評価において、プール中を落下しブレイクアップする溶融燃料ジェットから発生する微粒化物の物理量の推定が重要である。このため、燃料と冷却材間の相互作用(FCI)に含まれる流体力学的相互作用を伴う液体ジェットとしての挙動の評価手法が開発されている。炉外で想定される浅いプールの場合、溶融燃料は液状の壁面衝突噴流として振る舞い、微粒化物を伴うあるいは伴わない液膜流として拡がることが想定される。我々の研究では、流体力学的相互作用と過渡的かつ三次元的に床面を拡がる点に着目し、詳細二相流解析コードTPFITを用いた数値シミュレーションによる評価手法と、この妥当性確認のために液液系において3D-LIF法を用いた実験手法を開発している。過去の研究で、微粒化を伴う壁面衝突噴流が特徴的な構造を過渡的に有することを観察しており、その各部に依存した微粒化物の物理量の変化、ひいては安全評価への影響が考えられることから、各部におけるこの物理量の計測が重要と考える。本報は、数値シミュレーションの妥当性確認に資するべく実施した、浅水プール中の壁面衝突噴流における微粒化物の物理量の計測について説明する。3D-LIF法による実験を行い、分散相追跡法によって液膜流上の微粒化位置に基づいて実験データを各部に区分した。この区分したデータから微粒化物の径および総量を計測し、これらの変化傾向を検討した結果について述べる。

Quantum critical spin-liquid-like behavior in the = quasikagome-lattice compound CeRhPdSn investigated using muon spin relaxation and neutron scattering

Tripathi, R.*; Adroja, D. T.*; Ritter, C.*; Sharma, S.*; Yang, C.*; Hillier, A. D.*; Koza, M. M.*; Demmel, F.*; Sundaresan, A.*; Langridge, S.*; et al.

Physical Review B, 106(6), p.064436_1 - 064436_17, 2022/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.064436

We present the results of muon spin relaxation (SR) and neutron scattering measurements on the Ce-based quasikagome lattice CeRhPdSn ( = 0.1 to 0.75). Our SR results reveal the absence of both static long-range magnetic order and spin freezing down to 0.05 K in the = 0.1 sample, which is consistent with neutron scattering results. The weak temperature-dependent plateaus of the dynamic spin fluctuations below 0.2 K in zero field together with its longitudinal-field (LF) dependence indicate the presence of dynamic spin fluctuations persisting even at 0.05 K without static magnetic order. We argue that such a behavior for = 0.1 can be attributed to a metallic spin-liquid-like ground state near the quantum critical point in the frustrated Kondo lattice. The LF-SR study suggests that the out of kagome plane spin fluctuations are responsible for the spin-liquid behavior.

Time-resolved 3D visualization of liquid jet breakup and impingement behavior in a shallow liquid pool

木村 郁仁*; 山村 聡太*; 藤原 広太*; 吉田 啓之; 齋藤 慎平*; 金子 暁子*; 阿部 豊*

Nuclear Engineering and Design, 389, p.111660_1 - 111660_11, 2022/04

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.111660

A new three-dimensional laser-induced fluorescent (3D-LIF) technology to obtain the hydrodynamic behavior of liquid jets in a shallow pool were developed. In this technology, firstly, a refractive index matching was applied to acquire a clear cross-sectional image. Secondly, a series of cross-sectional images was obtained by using a high-speed galvanometer scanner. Finally, to evaluate the unsteady 3D interface shape of liquid jet, a method was developed to reconstruct 3D shapes from the series of cross-sectional images obtained using the 3D-LIF method. The spatial and temporal resolutions of measurement were 4.7 4.7 1.0 lines/mm and 25 s, respectively. The shape of a 3D liquid jet in a liquid pool and its impingement, spreading and atomization behavior were reconstructed using the proposed method, successfully. The behaviors of atomized particles detached from the jet were obtained by applying data processing techniques. Diameters distribution and position of atomized droplets after detachment were estimated from the results.

再処理施設の高レベル廃液蒸発乾固事故での凝縮器を想定した事故対処策のリスク低減効果に係る実機解析

吉田 一雄; 玉置 等史; 桧山 美奈*

JAEA-Research 2021-013, 20 Pages, 2022/01

JAEA-Research-2021-013.pdf:2.35MB

再処理施設の過酷事故の一つである高レベル放射性廃液貯槽の冷却機能喪失による蒸発乾固事故では、沸騰により廃液貯槽から発生する硝酸-水混合蒸気とともにルテニウム(Ru)の揮発性の化学種が放出される。そのための事故対処策の一つとして貯槽から発生する混合蒸気を積極的に凝縮する凝縮器の設置案が示されている。この事故対策では、硝酸蒸気の拡散防止、Ruの除去率の向上などが期待できる。本報では、実規模の仮想的な再処理施設を対象に凝縮器を設けて施設内での蒸気及びRuの移行挙動の模擬を試行した。模擬解析では、MELCORを用いて施設内の熱流動解析を行い、得られた熱流動状態を境界条件として硝酸、窒素酸化物等の化学挙動を解析するSCHERNコードを用いてRuの定量的な移行挙動を模擬した。解析から、凝縮器による蒸気拡散防止及びRuの除去効率の向上効果を定量的に分析するとともに、凝縮器の解析モデル上の課題を明らかにすることができた。

Flow regime and void fraction predictions in vertical rod bundle flow channels

Han, X.*; Shen, X.*; 山本 俊弘*; 中島 健*; 孫 昊旻; 日引 俊*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 178, p.121637_1 - 121637_24, 2021/10

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121637

This paper studies the flow regimes, their transitions and the drift-flux correlations in upward gas-liquid two-phase flows in vertical rod bundle flow channels. The flows are classified into 5 flow regimes, namely, bubbly, finely dispersed bubbly, cap-bubbly, churn and annular flows according to their different flow characteristics. Transition criteria between the flow regimes are proposed mechanistically. Those criteria can correctly predict 83% of the existing experimental observation of the flow regime. The drift-flux correlations for the distribution parameter and the drift velocity are also improved. The void fractions predicted by those correlations are compared with the existing experimental data, showing satisfactory agreement with mean relative error of 8%.