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論文

OECD/NEA benchmark on pellet-clad mechanical interaction modelling with fuel performance codes; Impact of number of radial pellet cracks and pellet-clad friction coefficient

Dost$'a$l, M.*; Rossiter, G.*; Dethioux, A.*; Zhang, J.*; 天谷 政樹; Rozzia, D.*; Williamson, R.*; Kozlowski, T.*; Hill, I.*; Martin, J.-F.*

Proceedings of Annual Topical Meeting on Reactor Fuel Performance (TopFuel 2018) (Internet), 10 Pages, 2018/10

The benchmark on PCMI was initiated by OECD/NEA Expert Group on Reactor Fuel Performance (EGRFP) in June 2015 and is currently in the latter stages of compiling results and preparing the final report. The aim of the benchmark is to improve understanding and modelling of PCMI amongst NEA member organisations. This is being achieved by comparing PCMI predictions of different fuel performance codes for a number of cases. Two of these cases are hypothetical cases aiming to facilitate understanding of the effects of code-to-code differences in fuel performance models. The two remaining cases are actual irradiations, where code predictions are compared with measured data. During analysis of participants' results of the hypothetical cases, the assumptions for number of radial pellet cracks and the pellet-clad friction coefficient (which can be zero, finite or infinite) were identified to be important factors in explaining differences between predictions once pellet-cladding contact occurs. However, these parameters varied in the models and codes used originally by the participants. This fact led to the extension of the benchmark by inclusion of two additional cases, where the number of radial pellet cracks and three different values of the friction coefficient were prescribed in the case definition. Seven calculations from six organisations contributed results were compared and analysed in this paper.

論文

B$$_{4}$$C制御材がシビアアクシデント時の炉心溶融過程およびヨウ素やセシウムの化学形に与える影響

日高 昭秀

日本原子力学会和文論文誌, 14(1), p.51 - 61, 2015/03

原子炉の制御材としてBWR等で使用されているB$$_{4}$$Cは、PWRで用いられているAg-In-Cd制御棒材では見られない現象をシビアアクシデント時に引き起こし、炉心の溶融過程、H$$_{2}$$発生量、ソースターム等に影響する。炉心の溶融過程では、B$$_{4}$$Cはステンレス被覆管と共晶反応を起こし、融点以下でステンレスを液化させて炉心溶融を促進する。H$$_{2}$$発生量では、Bが酸化して発生量を増加させるとともに、遊離したCはCH$$_{4}$$に変化し、ヨウ素と結合することにより、ガス状のCH$$_{3}$$Iを生成させる。また、酸化過程で生じたHBO$$_{2}$$はCsBO$$_{2}$$を生成させ、原子炉冷却系内へのCs沈着量を増加させる。当面の課題は、粉末状のB$$_{4}$$C制御棒ブレードと、ペレット状のB$$_{4}$$C制御棒では、形状や表面積、B$$_{4}$$Cとステンレスとの重量比等に差があり、そのことが実際の溶融進展やB$$_{4}$$Cの酸化挙動、あるいは放射性物質の化学形や環境中への放出にどのように影響するのかを解明することである。今後、この分野の研究を進展させることにより、福島事故の炉心溶融進展やソースタームの高精度予測、安全評価における有機ヨウ素の扱い等に有用な知見を提供すると期待される。

論文

Operation of the electrostatic accelerators

水橋 清; 宇野 定則; 大越 清紀; 千葉 敦也; 山田 圭介; 齋藤 勇一; 石井 保行; 酒井 卓郎; 佐藤 隆博; 横田 渉; et al.

JAEA-Review 2005-001, TIARA Annual Report 2004, P. 371, 2006/01

2004年度のタンデム加速器,シングルエンド加速器,イオン注入装置の運転時間はそれぞれ、1914.9時間,2490.7時間,1844.9時間であった。保守・整備では、長期間整備しなかった箇所を重点を置くとともに、タンデム加速器ではSF6ガスのリーク対策を行った。新ビーム開発では、タンデム加速器で錫(Sn)の負イオン,イオン注入装置でリチウム(Li)の正イオンを新たに加速した。技術開発では、タンデム加速器のチェーンスピードを調整する方式によって電圧安定度を1.2$$sim$$2.4E-4の範囲で制御することを可能にした。シングルエンド加速器では無誘導型電圧測定抵抗を開発し、3MVの運転を安定にした。

論文

Methods for tritium production rate measurement in design-oriented blanket experiments

Verzilov, Y. M.; 落合 謙太郎; 西谷 健夫

Fusion Science and Technology, 48(1), p.650 - 653, 2005/07

 被引用回数:6 パーセンタイル:53.79(Nuclear Science & Technology)

ブランケット設計のための核特性実験においては、トリチウム生成率の精度を確認することが必要である。実験体系はブランケットの設計にしたがって、できるだけ忠実に模擬した多層体系が必要であり、その中のトリチウム生成率分布を測定する手法は、感度と位置分解能が大きく、かつ中性子場を乱さないことが重要である。トリチウム生成率の精度検証のためにはトリチウム生成率を直接測定することが必要である。ここでは炭酸リチウムの粉末を圧縮したぺレットをトリチウム増殖層の埋め込み、照射後、ペレットを酸で溶解し、中和後液体シンチレーション法で測定する。2Bq/gのトリチウム生成量で測定誤差5%が得られるが、FNSでは8時間以上の照射が必要となる。間接的測定法はパラメータサーベイ的な実験に便利である。もしリチウムと同じようなエネルギー応答関数を持つ放射化反応があれば、リチウムペレットの代用として使用できる。そこで$$^{6}$$Liのトリチウム生成反応に対し$$^{31}$$P(n,$$gamma$$)$$^{32}$$P、$$^{7}$$Liのトリチウム生成反応に対し$$^{32}$$S(n,p)$$^{32}$$Pに着目し、ぺレットとしてNH$$_{4}$$PH$$_{2}$$O$$_{2}$$.とCH$$_{3}$$SO$$_{2}$$CH$$_{3}$$を採用した。これらを用いることにより、リチウムのぺレットの1/100の照射事件で十分な計数を得られることを明らかにした。

論文

Fission gas release in irradiated UO$$_{2}$$ fuel at burnup of 45 GWd/t during simulated Reactivity Initiated Accident (RIA) condition

天谷 政樹; 杉山 智之; 更田 豊志

Journal of Nuclear Science and Technology, 41(10), p.966 - 972, 2004/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:54.37(Nuclear Science & Technology)

商用炉で照射された燃料から調製した試験燃料棒に対し、反応度事故条件を模擬したパルス照射を行った。パルス照射後に実施した照射後試験の一部として、試験燃料棒の光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡による観察とEPMAによる分析を行った。パルス照射後の燃料ペレット周辺部及び中心部でXe濃度の低下が認められた。パルス照射中のFPガス放出はおもにペレット中心部で生じたものと考えられる。EPMAの結果からパルス照射中のFPガス放出量は10-12%と評価され、この結果はパンクチャ試験結果と同程度であった。この評価値と炉外アニーリング試験結果とを比較した結果、ペレット中心部からベース照射中に粒界に蓄積されたFPガスのほとんどがパルス照射中に放出されたと考えられた。

論文

Analysis of mechanical load on cladding induced by fuel swelling during power ramp in high burn-up rod by fuel performance code FEMAXI-6

鈴木 元衛; 上塚 寛; 斎藤 裕明*

Nuclear Engineering and Design, 229(1), p.1 - 14, 2004/04

 被引用回数:16 パーセンタイル:24.43(Nuclear Science & Technology)

高燃焼BWR燃料棒における燃料スエリングによる被覆管への機械的負荷を燃料ふるまいコードFEMAXI-6によって解析した。このコードは有限要素法をもちいて軽水炉燃料の通常運転及び過渡(事故ではなく)条件における燃料ふるまいを解析するために開発された。高燃焼度燃料の出力ランプにおいては、即発的なペレットスエリングは定常速度のスエリングモデルから予測されるレベルを有意なほど超え、被覆管に周方向の大きな歪みを与えることがある。この現象をFPガスバブル成長を考慮に入れた新しいスエリングモデルによってシミュレートし、この新モデルが、照射後試験データと比較して、被覆管の直径拡大の満足すべき予測を与えることを見いだした。このバブル成長モデルはバブルサイズ,表面張力,内圧とバブルに働く外圧との間の平衡関係を仮定し、バブルサイズの決定計算とFPガス原子の拡散方程式との連立解を求める。さらに、コードに組み込まれた、ペレットの外面と被覆管内面に強固な機械的結合を想定するボンディングモデルにより、ランプ時における被覆管の二軸応力状態が予測された。

報告書

照射済燃料ペレット内FPガス分析技術の開発

畠山 祐一; 須藤 健次; 金澤 浩之

JAERI-Tech 2004-033, 29 Pages, 2004/03

JAERI-Tech-2004-033.pdf:1.65MB

照射済燃料ペレット内に生成されたKr, Xe等のFPガスは、燃焼度とともに増加し、軽水炉燃料の熱的・機械的特性に大きな影響を与える。このため、軽水炉の高度化計画における燃料の健全性・安全性評価には、FPガス放出に関する基礎的データを蓄積することが重要である。日本原子力研究所・燃料試験施設では、照射済燃料棒のパンクチャー試験により、照射中に燃料棒プレナム部に蓄積したFPガスの測定を実施している。この結果から、FPガスのほとんどは燃料ペレット内に残存しており、より高い燃焼度あるいは事故時に残存しているFPガスが放出されることが予想される。よって照射済燃料からのFPガス放出挙動を調べるため、燃料を段階的に2300$$^{circ}$$Cまで加熱しながら、放出されるFPガスをリアルタイムで測定するアウトガス分析装置(Out Gas Analyzer 以下;OGA)を開発した。

報告書

軽水炉燃料解析コードFEMAXI-6,1; 詳細構造とユーザーズマニュアル

鈴木 元衛; 斎藤 裕明*

JAERI-Data/Code 2003-019, 423 Pages, 2003/12

JAERI-Data-Code-2003-019.pdf:17.7MB

FEMAXI-6は、軽水炉燃料のふるまい解析を目的とするコードとして、前バージョンFEMAXI-Vに対して多くの機能の追加・改良を実施した高度化バージョンである。特に、熱的解析と力学解析の完全連成化を実施し、高燃焼度燃料における被覆管とペレットの間のギャップサイズやペレット被覆管相互作用などの正確な予測を可能にした。またペレット被覆管ボンディングモデル,FPガスバブルスエリングモデルを導入し、詳細な燃焼計算コードとの連係機能の強化を図った。さらに多くの物性値やパラメータを追加したので、高燃焼度燃料の通常時のみならず過渡時ふるまいの解析にたいする強力なツールとなった。本報告は、FEMAXI-6の設計,基本理論と構造,モデルと数値解法,改良と拡張,採用した物性値,モデルの修正方法などを詳述したものである。同時に、本コードの有効かつ広範な利用を可能とするため、入出力の種類と方法を詳しく説明し、具体的なサンプル出力を添えた。

論文

Pellet injection as a possible tool for plasma performance improvement

Polevoi, A. R.*; 杉原 正芳; 竹永 秀信; 諫山 明彦; 大山 直幸; Loarte, A.*; Saibene, G.*; Pereverzev, G. V.*

Nuclear Fusion, 43(10), p.1072 - 1076, 2003/10

 被引用回数:32 パーセンタイル:25.99(Physics, Fluids & Plasmas)

高磁場側からのペレット入射によるITERの運転シナリオについて考察した。特にELMにより排出されるエネルギー量を、ペレット入射により、ダイバータ板の侵食に対して許容レベルにまで低減できるシナリオを示した。輸送コードにより、Q値~20の運転が各種運転限界内で可能であることを示し、ペレットサイズや入射周波数に対する要求を明らかにした。

論文

Technological development and progress of plasma performance on the JT-60U

山本 巧; JT-60チーム

Fusion Engineering and Design, 66-68, p.39 - 48, 2003/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:71.48

JT-60Uにおける技術開発の成果とそれによるプラズマ性能の進展を発表する。JT-60Uの主目的は、ITERや定常核融合炉における物理及び技術基盤の確立に寄与するプラズマや装置機器性能を実証することである。そのため、JT-60Uでは、プラズマ加熱・電流駆動装置として、500keVの負イオン源中性粒子ビーム入射装置と110GHzの電子サイクロトロン加熱装置を新たに開発した。さらに、効果的な燃料補給装置としての遠心型ペレット入射装置を開発・整備した。これらの装置を使用して、プラズマ実験研究を進め、プラズマ性能の向上を達成した。

報告書

ペレット入射による燃料供給シミュレーションコードPEPSI

高瀬 治彦*; 飛田 健次; 西尾 敏

JAERI-Data/Code 2003-013, 46 Pages, 2003/08

JAERI-Data-Code-2003-013.pdf:1.59MB

核融合炉において燃料供給は重要な課題の一つである。有力な燃料供給法として、水素固体ペレットを高速に加速し高温プラズマに入射する方法がある。核融合炉の設計上、ペレットの寸法,入射サイクル,入射速度を決定する必要がある。そこで、高温プラズマ中のペレット及びペレットから生成された溶発雲の運動方程式と、1次元プラズマ輸送方程式とを組み合わせた燃料供給シミュレーションコードPEPSI(PEllet injection and Plasma behavior SImulation code)を開発し、これらの設計値を定量的に評価できるようにした。PEPSIは溶発雲の運動を記述する二つの有力な物理モデル(Parksモデル,Straussモデル)を組み込み、輸送解析計算と合わせて核融合出力の時間変化を解析できる特徴を持つ。本報告は、PEPSIの解析モデル,数値計算法,フローチャート,変数の一覧、及び使用方法を説明する。

報告書

Review of JT-60U experimental results in 2000

JT-60チーム

JAERI-Review 2002-022, 149 Pages, 2002/11

JAERI-Review-2002-022.pdf:10.21MB

2000年のJT-60U実験(2月~12月)の結果をレビューする。高$$beta_{p}$$ Hモードプラズマ及び負磁気シアプラズマにおいて、完全非誘導電流駆動状態での性能を大きく更新した。高$$beta_{p}$$ Hモードプラズマにおいては、プラズマ電流1.5MAにて2.0$$times$$10$$^{20}$$m$$^{-3}$$keVsの高い核融合積を得て、NNBの電流駆動効率の世界最高値(1.55$$times$$10$$^{19}$$A/W/m$$^{2}$$)を達成した。負磁気シアにおいては、低域混成波電流駆動とNNB電流駆動を用いて、高密度(グリンワルド密度の80%)にて高閉じ込め(HH$$_{y2}$$~1.4)を得た。その他、電子サイクロトロン波帯(ECRF)加熱装置の増強,連続ペレット入射装置の設置,ダイバータ外側排気溝の設置などの改造を行い、プラズマ性能を向上するとともに研究の進展を得た。

報告書

高速動作ゲートバルブの開発

平塚 一; 市毛 尚志; 木津 要; 本田 正男; 宮 直之

JAERI-Tech 2002-076, 37 Pages, 2002/10

JAERI-Tech-2002-076.pdf:2.53MB

臨界プラズマ試験装置では、遠心加速方式ペレット入射装置を用いて重水素ペレットの連続入射による高密度プラズマの実験運転を行っているが、プラズマの状態によりペレット入射の停止や入射個数制御が要求されている。その手法として高速シャッター弁による動作が有効である。しかし、従来の高速シャッター弁は、その動作速度や真空性能に問題があったため、飛行ペレットの停止,ペレット入射個数制御及び真空維持などのシャッター機能及び真空シール機構を有するゲートバルブを開発した。開発した高速動作ゲートバルブは、衝撃吸収タイプの電磁弁構造適用により、気密性1$$times$$10-8Pam$$^{3}$$/s以下、弁体ストローク20mm以上及び動作応答時間100ms以下の仕様を満足する結果を得た。この結果、遠心加速方式ペレット入射装置に適用可能であることが確認された。

論文

Gas and pellet injection systems for JT-60 and JT-60U

木津 要; 平塚 一; 三代 康彦; 市毛 尚志; 笹島 唯之; 西山 友和; 正木 圭; 本田 正男; 宮 直之; 細金 延幸

Fusion Science and Technology (JT-60 Special Issue), 42(2-3), p.396 - 409, 2002/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:67.16(Nuclear Science & Technology)

この論文では、JT-60のガス及びペレット入射システムの開発と運転について述べている。ガス注入システムの主要機器であるガス注入バルブは、積層型圧電素子を用いて開発した。このシステムの最大流速は43.3Pam$$^{3}$$/sである。このバルブは、JT-60真空容器内を大気圧にすることなく修理と調整ができるように調整機構を大気側に備えている。ペレット入射システムでは圧空加速式と遠心加速式の2種類の入射方式を開発してきた。圧空式は1988年当時の世界最高記録である2.3km/sのペレット速度を達成した。一方、遠心式は1998年に開発され、40個の2.1mm角立方体ペレットを1$$sim$$10Hzで0.1$$sim$$1.0km/sの速度で連続的に射出可能である。1999年には高磁場側(上側)入射用のガイド管を開発し、ペレット入射実験を2000年より開始した。加えて高磁場側(水平)入射のためのガイド管を新規に2001年3月に開発した。

論文

Extension of integrated high performance regimes with impurity and deuterium particle control in Japan Atomic Energy Research Institute Tokamak-60 Upgrade (JT-60U)

久保 博孝; JT-60チーム

Physics of Plasmas, 9(5), p.2127 - 2133, 2002/05

 被引用回数:17 パーセンタイル:45.58(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uでは、不純物入射,ペレット入射を用いた不純物,重水素粒子の制御によって、閉じ込め改善流域を高密度,高放射損失,高プラズマ純度に向けて拡張する研究を進めている。通常のダイバータ配位のELMy Hモードでは、Ar入射によって高密度領域(0.65n$$_{GW}$$)で高放射損失(80%),高閉じ込め(HH$$_{98(y,2)}$$=1)を得た。ELMy Hモードでは輸送障壁の内側でイオン温度分布形状が変わらないという性質が有り、Ar入射の場合には輸送障壁部のイオン温度を高く維持できるため、閉じ込め改善度を維持できると考えられる。Arと重水素のリサイクリングを増加するために外側セパラトリックスをダイバータドームの頂上においた放電では、さらに高密度(0.8n$$_{GW}$$)まで閉じ込め改善を維持できた。また、高$$beta_{p}$$ELMy Hモードでは、ペレット入射によって高閉じ込めの密度領域を0.6n$$_{GW}$$から0.7n$$_{GW}$$まで拡張できた。

論文

Fast thermal shutdown of tokamak discharges without runaway electron avalanching

Bakhtiari, M.; 芳野 隆治; 西田 靖*

Fusion Science and Technology, 41(2), p.77 - 87, 2002/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:55.93(Nuclear Science & Technology)

トカマク装置のディスラプションは、閉じ込め磁場のひとつであるプラズマ電流が急激に消滅する現象であり、電磁力と熱及び生成される高速電子によるエロージョン等により、装置に大きなダメージを与える。その一方で、装置にダメージを与えることなく、制御してプラズマを緊急停止することも必要である。本論文では、重水素あるいは重水素と不純物の混合したものを入射することにより、プラズマ温度を緊急に減少させる手法について検討した。この時、高速電子生成を避けるために、温度低下を50eV程度に制限することで一周電圧(電界)上昇を制限し、入射すべき重水素あるいは重水素と不純物の量と、その時間を計算した。実際の緊急停止では、短時間に多くの粒子をプラズマ中心まで入射する必要があるのでペレット入射などの手法を用いる必要がある。

論文

Characterization of disruption phenomenology in ITER

芳野 隆治; D.J.Campbell*; E.Fredrickson*; 藤沢 登; N.Granetz*; Gruber, O.*; T.C.Hender*; D.A.Humphreys*; N.Ivanov*; S.Jardin*; et al.

Fusion Energy 2000 (CD-ROM), 4 Pages, 2001/05

ITER物理R&Dの専門家会合においてまとめたディスラプションの諸特性(熱消滅、電流消滅、ハロー電流、逃走電子、ディスラプション頻度、等)のデータベース群とそれに基づくITERでのディスラプション特性の予測を示す。加えて、最近、顕著な研究成果の得られているディスラプションの回避・緩和の研究について報告する。

論文

Heat capacity measurements on unirradiated and irradiated fuel pellets

天谷 政樹*; 宇根 勝巳*; 湊 和生

Journal of Nuclear Materials, 294(1-2), p.1 - 7, 2001/04

 被引用回数:12 パーセンタイル:30.63

未照射及び照射済UO$$_{2}$$ペレット試料の比熱容量を測定した。ペレットの高温比熱容量データは、定常運転時の燃料温度変化や事故時の燃料温度評価を行ううえで、不可欠な物性値の一つである。本測定技術により未照射アルミナ及び未照射UO$$_{2}$$試料の比熱容量を測定し、文献値と比較した結果、測定精確度は約5%と見積もられた。JRR-3M炉で焼度約40GWd/tまで照射した微小UO$$_{2}$$試料の比熱容量について測定を行った結果、2回目以降の測定値は、模擬FP添加ペレットの値とほぼ一致した。

報告書

Development of the centrifugal pellet injector for JT-60U

木津 要; 平塚 一; 市毛 尚志; 岩橋 孝明*; 笹島 唯之; 正木 圭; 佐々木 昇*; 本田 正男; 宮 直之; 細金 延幸

JAERI-Tech 2001-022, 20 Pages, 2001/03

JAERI-Tech-2001-022.pdf:1.34MB

JT-60Uプラズマ中心への燃料供給のために重水素固体ペレット入射装置を開発した。本装置は直線型のロッドを回転させ遠心力によってペレットを加速する機構となっており、0.3~1.0km/sの速度で最大40個(1~10Hz)で射出可能である。0.7km/s以下の速度でのペレット1個あたりの平均的な原子数は3.6$$times$$10$$^{20}$$個である。加速中にペレットからの昇華ガスにより、ペレットの運動が乱されるのを防ぐために加速部品にメッシュ構造を取り入れ、また射出されたペレットを破壊せずにプラズマまで導くために適切な角度を持ったファンネル(テーパー管)を開発したことにより、破壊なく高い確率でのペレット入射が可能となった。オーム加熱(OH)プラズマへの低磁場側からのペレット入射実験を行ったところ、ガスパフに比べて中心領域に供給が行えること、ダイバーター領域のD$$alpha$$発光強度も小さく押さえられ低リサイクリングを維持していることを確認した。

論文

JT-60Uにおける遠心加速方式ペレット入射装置の開発

平塚 一; 木津 要; 市毛 尚志; 本田 正男; 岩橋 孝明*; 佐々木 昇*; 宮 直之; 細金 延幸; 小田 泰嗣*; 吉田 和人*

プラズマ・核融合学会誌, 76(11), p.1189 - 1197, 2000/11

JT-60Uでは、高密度プラズマの長時間保持を目的として、直線型加速方式、エクスツルーダー型生成方式を用いた遠心加速方式ペレット入射装置を開発した。この方式は、低温状態での重水素ガスペレット化制御、ペレットが発生するアブレーションガスの対策、射出方向の安定化、衝突対策等が重要である。そのため、ペレット生成中の観察が行えるようにしたうえで、固体燃料供給管等の冷却強化、排気口の設置による発生ガスの排気、遠心加速部分からの飛び出し防止及び飛行過程での衝突破損防止等の工夫・開発を行った。その結果、固い透明な重水素の氷の生成を観察でき、2.1mmの立方体(キュービック)のペレットを的確に切断・装填し、加速・射出することができた。以上により、ペレット射出速度410m/sにおいて、周波数5Hzで7s間、周波数10Hzで3.5s間の連続射出に成功した。本論文は、装置の原理、構造、試験結果等について報告する。

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