Heat transfer coefficient modeling for downward saturated boiling flows in vertical pipes

和田 裕貴; 柴本 泰照; 日引 俊詞*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 249, p.127219_1 - 127219_16, 2025/10

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127219

Two saturated boiling heat transfer correlations for downward flows in vertical circular pipes depending on wall superheat or wall heat flux as input parameters were developed based on a heat transfer experimental database. Owing to the absence of heat transfer correlations specifically developed for downward flows, existing heat transfer correlations for different flow directions were evaluated to determine their applicability to predicting the downward flow heat transfer coefficient. The results revealed that even the most accurate correlation showed a mean absolute percentage error (MAPE) of 66.5%, highlighting the need for improving predictive performance. In response, the downward flow heat transfer correlation was modeled by integrating a nucleate boiling heat transfer term and a forced convection heat transfer term. The Dong-Hibiki correlation, a two-component, two-phase heat transfer correlation for downward flows, was adopted for the forced convection heat transfer term. The Forster-Zuber correlation, developed as a wall superheat function, and the Cooper correlation, developed as a wall heat flux function, were used for the nucleate boiling term to develop the heat transfer correlations where either wall superheat or wall heat flux is known. Notably, the Dong-Hibiki correlation has been validated over a wide range of experimental conditions. A correction factor was applied to the nucleate boiling term to address errors caused by applying Foster-Zuber and Cooper correlations to downward flows. The two developed correlations achieved an MAPE value of approximately 20%, representing an improvement of roughly 40% over existing correlations of heat transfer coefficients.

Detailed computational models for nuclear criticality analyses on the first startup cores of NSRR: A TRIGA annular core pulse reactor

柳澤 宏司; 求 惟子

JAEA-Research 2025-001, 99 Pages, 2025/06

JAEA-Research-2025-001.pdf:1.98MB

中性子吸収棒の反応度価値に関する安全検査データのより深い理解と反応度価値の測定技術の向上のために、TRIGA-ACPR(環状炉心パルス炉)に分類されるNSRR(原子炉安全性研究炉)の初回起動炉心の臨界解析用詳細計算モデルを作成した。本モデルの形状、材料、運転データの誤差から伝播する中性子実効増倍率(keff)の不確かさを、最新の核データライブラリJENDL-5及び旧版のJENDLライブラリとMVP第3版コードを用いて詳細に評価した。その結果、本モデルにおけるkの全体的な不確かさは、0.0027から0.0029kの範囲と評価した。本モデルは、TRIGA-ACPRのkのベンチマークとして利用されることが期待される。さらに、全体的な不確かさは、NSRRで測定された吸収棒価値よりも十分小さいことを確認した。よって、本モデルはNSRRにおける吸収棒反応度価値に関する今後の解析にも適用できる。

Estimation of the beam trip frequency of a proton linear accelerator for an accelerator-driven nuclear transmutation system and comparison with the allowable beam trip frequency

武井 早憲

Journal of Nuclear Science and Technology, 45 Pages, 2025/06

https://doi.org/10.1080/00223131.2025.2523023

日本原子力研究開発機構では、マイナーアクチニドを効率的に核変換する加速器駆動核変換システム(ADS)の研究開発を行っている。このシステムは、未臨界炉と大強度超伝導陽子線形加速器(ADS用陽子加速器)の組み合わせである。ADS用陽子加速器の開発を困難にしている要因の一つは、熱サイクル疲労を誘因するビームトリップ事象であり、この事象によって未臨界炉の機器が損傷するからである。ADS用陽子加速器は大強度陽子加速器の一つであるJ-PARCリニアックと比べて電流比で32倍の差がある。従って、開発段階に応じてADS用陽子加速器のビームトリップ頻度と許容ビームトリップ頻度を比較することが必要になる。今回、J-PARCリニアックの運転データに基づく信頼度関数を使ったモンテカルロ法のプログラムを作成し、ADS用陽子加速器のビームトリップ頻度を推測した。モンテカルロ法のプログラムにより、従来の解析手法では得られなかったビームトリップ事象の時間分布が得られた。その結果、許容ビームトリップ頻度を満足するには、ビームトリップ時間が5分以上のビームトリップ頻度を現状の27%に低減しなければならないことがわかった。

Experiments on central reaction rate ratios and fission distributions in the FCA-XXII-1 assembly simulating highly enriched MOX fueled tight lattice LWR cores

福島 昌宏; 安藤 真樹; 長家 康展

Nuclear Science and Engineering, 199(6), p.1029 - 1043, 2025/06

https://doi.org/10.1080/00295639.2024.2405668

A series of simulated experiments were conducted at the FCA to simulate a light water reactor core with a tight lattice cell containing highly enriched MOX fuel with a fissile Pu ratio 15%. The prediction accuracy of the neutron computation codes and nuclear data libraries in a wide range of neutron spectra was evaluated by constructing three experimental configurations of the FCA-XXII-1 assembly with different void fractions (45%, 65%, and 95%) of the moderator material. In a previous paper, we reported the criticality and reactivity worths measured in these experiments. This paper provides the experimental results for the central reaction rate ratios and fission distributions as follows. The fission rate ratios of U and Pu relative to U were measured at the core centers using three calibrated fission chambers, and the U capture reaction rate ratio relative to U fission was measured using depleted uranium foils. Reaction rate distributions were also obtained by traversing four micro fission chambers of HEU, NU, Pu, and Np through each core region in the radial and axial directions. The experimental analyses were performed using detailed models of the Monte Carlo code MVP3 with JENDL-4.0. Most calculation results agreed well with the experiments, whereas those for the fission rate ratio of Pu to U were underestimated by up to 6% with the softening neutron spectrum.

Impact of nuclear data updates from JENDL-4.0 to JENDL-5 on burnup calculations of light-water reactor fuels

渡邉 友章; 多田 健一; 遠藤 知弘*; 山本 章夫*

Journal of Nuclear Science and Technology, 16 Pages, 2025/04

https://doi.org/10.1080/00223131.2025.2486798

本研究では、JENDL-4.0(J4)からJENDL-5(J5)への核データ更新が軽水炉燃料燃焼計算に与える影響を調査した。燃焼計算はPWRピンセル及びBWR燃料集合体形状について実施した。計算の結果、中性子増倍率(k)に燃焼度に依存した大きな差異があることがわかった。燃焼度0-50GWd/tの範囲において、J5のkはJ4のkよりも一貫して小さく、その差は燃焼が進むにつれて徐々に大きくなった。各核種の断面積データをJ4からJ5に置き換えた計算の結果、U, U, Puの断面積とHO中のHの熱中性子散乱則データの更新がkの差に顕著な影響を与えることが分かった。Gd燃料を含むBWR集合体形状では、10-15GWd/tの燃焼度範囲で大きなkの違いが観測された。この差異は主にU, Gd, Gd断面積の更新とHO中のHの熱中性子散乱則データに起因することが分かった。さらに、核種数密度、中性子エネルギー依存の感度係数、中性子スペクトルを調査することにより、核データの更新がkにどのように影響を与えたかを明らかにした。

セメント固化におけるペーストの流動性に影響する化学物質についての調査

谷口 拓海; 松本 早織; 平木 義久; 佐藤 淳也; 藤田 英樹*; 金田 由久*; 黒木 亮一郎; 大杉 武史

JAEA-Review 2024-059, 20 Pages, 2025/03

JAEA-Review-2024-059.pdf:1.0MB

廃棄物のセメント固化で求められる基本的な性能である硬化前の流動性および硬化後の強度特性は、廃棄物に含まれる物質や成分などの化学的作用の影響を受けることが予想される。硬化前の流動性および硬化後の強度特性はセメントの硬化速度に大きく影響されることから、セメントの硬化速度に影響を与える化学物質を対象に着目して既往の知見を調査し、取りまとめを行った。本報告書ではセメントの流動性に影響を及ぼす化学物質を大きく分類し、無機物質として(1)陰イオン種、(2)重金属等金属元素、(3)セメント混和剤として用いられる無機物質および(4)セメント混和剤として用いられる有機物質の4つに整理した。調査の結果、化学物質によって硬化を促進する効果と遅延する効果に大きく分類されることが分かったが、一部の化学物質ではその添加量によって硬化に与える影響が逆転するものも見られたことから、実際に化学物質を添加し、凝結時間測定を実施した。その結果、硬化促進に寄与するメカニズムが複数あることが分かった。セメントの硬化反応を阻害する化学物質を調査し、セメント固化における混入禁忌成分を検討するための情報を整理することができた。

Magnetic and quadrupole coupling emerging in NdB with geometrically frustrated orthogonal antiferromagnetic dimer

目時 直人; 山内 宏樹; 萩原 雅人; 綿貫 竜太*; 河村 聖子; 古府 麻衣子*; 中島 健次; 松田 雅昌*

Physical Review B, 111(10), p.104424_1 - 104424_9, 2025/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.104424

フラストレートしたシャストリ・サザランド格子を有するNdBの磁気転移を理解する目的で中性子非弾性散乱実験を行った。とによる準四重項状態が磁気秩序相で4つに分裂する。スペクトルは磁気相互作用、磁気と四極子の結合、そして一軸的な結晶場により説明される。この電子状態により、主たる秩序変数である面内磁気モーメントと結く誘起された2次的な秩序変数を説明することができた。幾何学的フラストレーションによってハイゼンベルグ相互作用が打ち消し合う状況で、磁気と四極子の結合が本質的な役割をすることが明らかになった。

核データの検索・公開・データポータルに関するIAEA技術会合に参加して

多田 健一; 川瀬 頌一郎*

核データニュース(インターネット), (140), p.26 - 46, 2025/02

http://www.aesj.or.jp/~ndd/ndnews/No140.html

2024年11月11日15日にウィーンのIAEA本部にて開催された、Technical Meeting on Nuclear Data Retrieval, Dissemination, and Data Portals(核データの検索、配布、データポータルに関する技術者会合)について報告する。本技術者会合の目的は、核データの検索、データの公開、データポータルについて議論し、新たな開発と将来の計画を発表することである。本稿では、本会合での発表資料の概要について紹介する。

Massive Dirac magnons in the three-dimensional honeycomb magnetic oxide FeTiO

Chung, J.-H.*; Kwangwoo, S.*; Yokoo, Tetsuya R.; 植田 大地*; 今井 正樹; Kim, H.-S.; Kiem, D. H.; Han, M. J.*; 社本 真一

Scientific Reports (Internet), 15, p.5978_1 - 5978_10, 2025/02

https://doi.org/10.1038/s41598-025-90478-2

Two dimensional honeycomb ferromagnets host massless Dirac magnons which are a bosonic analogue of Dirac fermions in graphene. The Dirac magnons may become massive and topological when the time-reversal symmetry breaks and an energy gap opens up at the Dirac point, which was experimentally observed in Cr-based van der Waals magnets. Here, we investigate the spin wave excitations in the magnetic oxide FeTiO with Fe electrons (). Using inelastic neutron scattering, we observe two magnon bands separated by a 1.2-meV gap at the Dirac points indicating that its Dirac magnons are massive. Using the linear spin-wave and density functional theory calculations, we find that the spin-orbit-coupled antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya exchanges can best account for the observed Dirac gap opening. The associated Berry curvature and Chern number () indicate that FeTiO hosts topological spin excitations via time-reversal symmetry breaking of Dirac magnons.

Concurrent neutron imaging and diffraction analysis revealing spatial lithiation phase evolution in an ultra-thick graphite electrode

Strobl, M.*; Baur, M. E.*; Samothrakitis, S.*; Molamud, F.*; Zhang, X.*; Tung, P. K. M.*; Schmidt, S.*; Woracek, R.*; Lee, J.*; 鬼柳 亮嗣; et al.

Advanced Energy Materials, p.2405238_1 - 2405238_9, 2025/01

https://doi.org/10.1002/aenm.202405238

Energy-efficient, safe, and reliable Li-ion batteries (LIBs) are required for a wide range of applications. The introduction of ultra-thick graphite anodes, desired for high energy densities, meets limitations in internal electrode transport properties, leading to detrimental consequences. Yet, there is a lack of experimental tools capable of providing a complete view of local processes. Here, a multi-modal measurement approach is introduced, enabling quantitative spatio-temporal observations of Li concentrations and intercalation phases in ultra-thick graphite electrodes. Neutron imaging and diffraction concurrently provide correlated multiscale information from the scale of the cell down to the crystallographic scale. In particular, the evolving formation of the solid electrolyte interphase (SEI), observation of gradients in total lithium content, as well as in the formation of ordered LiC phases and trapped lithium are mapped throughout the first charge-discharge cycle of the cell. Different lithiation stages co-exist during charging and discharging; delayed lithiation and delithiation processes are observed in central regions of the electrode, while the SEI formation, potential plating, and dead lithium are predominantly found closer to the interface with the separator. The study emphasizes the potential to investigate Li-ion diffusion and the kinetics of lithiation phase formation in thick electrodes.