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論文

Development of a miniature electromagnet probe for the measurement of local velocity in heavy liquid metals

有吉 玄; 大林 寛生; 佐々 敏信

Journal of Nuclear Science and Technology, 18 Pages, 2022/03

液体重金属中の局所流速計測において、電磁誘導を用いた計測手法は効果的手法の一つである。永久磁石を利用した流速計として、Ricou and Vives' probeやVon Weissenfluh's probeが広く知られているが、これらの流速計は液温上昇に伴う永久磁石の熱減磁により、流速感度および計測体積が低下することが問題点として挙げられる。特に、永久磁石のキュリー温度を超える温度域では流速検出不能となる。そこで本研究では、流速計が持つ温度依存性の解消を目的とし、小型電磁石を内蔵する流速計を開発した。開発された流速計の直径は6mm、長さは155mmである。流速計の基本性能は、室温環境下における矩形管内水銀流れの局所流速分布計測を通して確認され、流速感度および計測体積が評価された。計測された局所流速分布は数値計算によりその妥当性が確認された。

論文

Experimental study on local interfacial parameters in upward air-water bubbly flow in a vertical 6$$times$$6 rod bundle

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

International Journal of Heat and Mass Transfer, 144, p.118696_1 - 118696_19, 2019/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:49.6(Thermodynamics)

This paper presents a database of local flow parameters for upward adiabatic air-water two-phase flows in a vertical 6$$times$$6 rod bundle flow channel. The local void fraction, interfacial area concentration (IAC), bubble diameter and bubble velocity vector were measured by using a four-sensor optical probe. Based on an existing state-of-the-art four-sensor probe methodology with the characteristic to count small bubbles, IAC in this study was derived more reliably than those in the existing studies. In addition, bubble velocity vector could be measured by the methodology. Based on this database, flow characteristics were investigated. The area-averaged void fraction and IAC were compared with the predictions from the drift-flux model and the IAC correlations, respectively. The applicability of those to the rod bundle flow channel was evaluated.

論文

Local gas-liquid two-phase flow characteristics in rod bundle geometry

Xiao, Y.*; Shen, X.*; 三輪 修一郎*; 孫 昊旻; 日引 俊*

混相流シンポジウム2018講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2018/08

ロッドバンドル体系における二流体モデルの構成式の高度化を図るために、6$$times$$6ロッドバンドル体系における上昇気液二相流実験を実施した。ボイド率や界面積濃度等の局所流動パラメータを2針式光プローブで計測した。計測した断面平均ボイド率と界面積濃度の結果と、既存ドリフトフラックスモデルや界面積濃度相関式から予測した結果と比較した。

論文

Effect of nitrogen concentration on nano-structure and high-temperature strength of 9Cr-ODS steel

岡 弘; 丹野 敬嗣; 大塚 智史; 矢野 康英; 皆藤 威二

Nuclear Materials and Energy (Internet), 16, p.230 - 237, 2018/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:33.17(Nuclear Science & Technology)

In determining the nitrogen concentration specifications, nano-structure and high-temperature strength of 9Cr-ODS steel have been investigated as a function of the nitrogen content with the aim of obtaining technical knowledge that makes the specification reasonable. The hardness and tensile strength showed degradation with increasing nitrogen content. For a microstructure, the decrement of residual ferrite phase was confirmed. Since the nitrogen is an austenite stabilizer, the increment of nitrogen enhanced an alpha to $$gamma$$ transformation, resulted in the decrease of the residual ferrite phase. It is considered that the reduction of the strength is due to the decrease of the residual ferrite phase.

論文

Some characteristics of gas-liquid two-phase flow in vertical large-diameter channels

Shen, X.*; Schlegel, J. P.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Nuclear Engineering and Design, 333, p.87 - 98, 2018/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:30.29(Nuclear Science & Technology)

Two phase flows in large-diameter channels are important to efficiently and safely transfer mass and energy in a wide variety of applications including nuclear power plants. Two-phase flows in vertical large-diameter channels, however, show much more complex multi-dimensional nature than those in small diameter channels. Various constitutive equations are required to mathematically close the model to predict two-phase flows with two-fluid model. Validations of the constitutive equations require extensive experiment effort. This paper summarizes the recent experimental studies on two-phase flows in vertical large-diameter channels, which includes measuring technique and available databases. Then, a comprehensive review of constitutive equations is provided covering flow regime transition criteria, drift-flux correlations, interfacial area concentration correlations and one- and two-group interfacial area transport equation(s), with discussions on typical characteristics of large-diameter channel flows. Recent 1D numerical simulations of large-diameter channel flows is reviewed too. Finally, future research directions are suggested.

論文

Experimental study on interfacial area transport of two-phase bubbly flow in a vertical large-diameter square duct

Shen, X.*; 孫 昊旻; Deng, B.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

International Journal of Heat and Fluid Flow, 67(Part A), p.168 - 184, 2017/10

 被引用回数:11 パーセンタイル:61.97(Thermodynamics)

主に4センサープローブを用いて、鉛直大口径正方形管内における上昇気泡流に関する実験的研究を実施した。流れ方向3断面における、局所界面積濃度、ボイド率、3次元気泡速度、気泡径を計測した。界面積輸送方程式やその中の気泡合体分裂モデルは、二相流における界面積濃度の予測に多用されてきたものの、主に円管や小口径管の二相流実験から構築されており、大口径正方形管に対する適応性の検証がされていない。そこで本研究では、大口径正方形管で取得したデータベースを用いて、既存の1次元1グループ界面積輸送方程式の気泡合体分裂モデルの大口径正方形管への適応性を評価した。最良のモデルに基づく予測と実験結果との誤差は25%であることを示した。

論文

Axial flow characteristics of bubbly flow in a vertical large-diameter square duct

Shen, X.*; 孫 昊旻; Deng, B.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Proceedings of 17th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-17) (USB Flash Drive), 14 Pages, 2017/09

4センサープローブを用いて、鉛直大口径正方形ダクト内における上向き気泡流の実験的研究を行った。流れ方向3断面における局所界面積濃度、3次元気泡速度ベクトルと気泡径等を計測した。取得したボイド率、局所界面積濃度、3次元気泡速度ベクトルと気泡径等により、流れの挙動に関する有益な情報を提供できるだけでなく、界面積濃度輸送方程式内のソースとシンク項の機構論的モデルの高度化にとって重要なデータベースとなる。

論文

Multi-dimensional gas-liquid two-phase flow in vertical large-diameter channels

Shen, X.*; Schlegel, J. P.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Proceedings of 2017 Japan-US Seminar on Two-Phase Flow Dynamics (JUS 2017), 6 Pages, 2017/06

Large-diameter (D) channels are extensively used to increase the mass, momentum and heat transport capability of working fluid. Comparing with small-D pipes, two-phase flows in large-D channels show quite different and more complicated flow characteristics, since much larger cap bubbles can exist and interfacial instability prevents the cap bubbles from forming a large stable Taylor bubble. Flow regimes and radial void fraction profiles are also different from those in small-D pipes especially in cap/slug flow regime. The relative velocities between phases are greatly increased. This paper reviews recent progresses in the researches on two-phase flows in large-D channels. The state-of-the-art tool of four-sensor probe may enable classification of two-group bubbles by the measurement of bubble diameter instead of bubble chord length. Databases and most of the updated constitutive equations that cover flow regime transition criteria, drift-flux correlations, interfacial area concentration (IAC) correlations and one- and two-group interfacial area transport equation(s) are summarized and analyzed. Typical multi-dimensional characteristics of flows in large-D channels are presented and their one-dimensional numerical simulations are reviewed. Finally the future research directions are suggested.

論文

Effect of thermo-mechanical treatments on nano-structure of 9Cr-ODS steel

岡 弘; 丹野 敬嗣; 大塚 智史; 矢野 康英; 上羽 智之; 皆藤 威二; 大沼 正人*

Nuclear Materials and Energy (Internet), 9, p.346 - 352, 2016/12

 被引用回数:14 パーセンタイル:86.01(Nuclear Science & Technology)

The effect of thermo-mechanical treatments (TMTs) on the evolution of nano-structure in an oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic/martensitic steel (Fe-9Cr-2W-0.22Ti-0.36Y$$_{2}$$O$$_{3}$$) was investigated. TMTs involve hot extruding and subsequent forging, which are expected to be part of a future industrial-scale manufacturing process of the ODS steel. It was shown that the ODS steel was composed of two phases - a fine-grained residual ferrite phase and a transformable martensite phase. The number density of the nano-sized particles in the residual ferrite phase was significantly higher than that in the martensite phase. The TMTs did not significantly affect the number density, but slightly affected the size distribution of the nano-sized particles in both ferrite phase and martensite phase. Moreover, the volume fraction of the residual ferrite phase decreased after TMTs. In summary, the TMT conditions could be a parameter which affects the nano-structure of the ODS steel.

論文

Gas-liquid bubbly flow structure in a vertical large-diameter square duct

Shen, X.*; 孫 昊旻; Deng, B.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Progress in Nuclear Energy, 89, p.140 - 158, 2016/05

 被引用回数:13 パーセンタイル:86.01(Nuclear Science & Technology)

4センサープローブを用いて、鉛直大口径正方形管内の上昇気液二相流の局所構造を計測した。球形と非球形気泡を区別する4センサープローブの計測手法を適用し、局所3次元気泡速度ベクトル、気泡径と界面積濃度を計測した。液相流量が低い時と高い時、局所ボイド率と界面積濃度はそれぞれ中心ピークと壁ピークの分布を示した。断面内における横方向気泡速度は、断面の対称的な8分の1三角領域内を循環する2次流れの存在を示し、その大きさは液相速度の上昇とともに増加した。本データに対して、既存ドリフトフラックスモデルや界面積濃度の相関式の比較を行い、適応性を検証した。

論文

マルチ光計測プローブを用いた幌延深地層研究センターの立坑掘削損傷評価

畑 浩二*; 丹生屋 純夫*; 青柳 和平; 藤田 朝雄

第44回岩盤力学に関するシンポジウム講演集(CD-ROM), p.319 - 324, 2016/01

日本原子力研究開発機構の幌延深地層研究センターにおいて、深度350m以深の立坑掘削時から掘削後の維持管理段階で掘削影響評価のための長期モニタリングを実施中である。計測ツールには、光式AEセンサ,光式間隙水圧センサおよび光式温度センサを1本のボーリング孔内に設置可能なマルチ光計測プローブを開発し利用した。AE,間隙水圧および温度を測定した結果、立坑壁面に近いほど変化は大きく、掘削の影響が明らかになった。また、AE震源位置標定解析結果から、立坑壁面1.5m未満までが掘削影響領域と評価した。

論文

Method for detection of separatrix surface using differential double probe

雨宮 宏*; 上原 和也

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 45(1A), p.247 - 249, 2006/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:17.99(Physics, Applied)

トカマクの磁気面は磁気プローブの信号をもとにして平衡コードを用いた計算で推定されるが、その絶対位置については不明である。これを求めるために径方向に段差のついた2組のダブルプローブシステムに正負のバイアスをかけ、プラズマを動かしてプローブがセパラトリックス表面を横切った時に、ダブルプローブのイオン飽和電流値の増加が現われることに注目して、これを差動増幅器で精密に測定して評価した。さらに、得られる電流値はイオン温度の情報を有していることも示した。

報告書

高温融体中への水ジェットの貫入と直接接触沸騰に関する研究

柴本 泰照

JAERI-Research 2005-016, 127 Pages, 2005/08

JAERI-Research-2005-016.pdf:4.54MB

高温の融体の表面に注がれる水の沸騰は、融体中に水が侵入することで伝熱面積が拡大することとあいまって、高効率の熱伝達を提供する。本研究は、融体中に水が強制注入される場合(冷却材注入モード)について、融体と水との間の力学的・熱的相互作用を支配する現象を解明し、将来の工業上の応用に資することを目的としている。同現象は冷却材注入モード以外の他の燃料-冷却材相互作用(FCI)の結果として生じることも指摘されており、FCI素過程の解明に資することも期待できる。本研究では、実験的なアプローチとして、高速度撮影中性子ラジオグラフィ並びに新たに開発したプローブを採用し、融体-水-蒸気混相流の可視化と計測を行った。このような手段によっても、実験的に得られる情報には依然として限界があるが、関連現象から得られる知見との比較を含め、実験データの詳細な分析を行った。その結果、本現象の特徴である高効率な熱伝達を安定に達成させる条件について、安定性を支配する因子を明らかにし、その成立条件を示すことに成功した。さらに、本現象のような流体自由表面の移動を伴う現象の解明に有用な、界面付近の速度場・圧力場を界面形状の時間変化から算出する方法を開発した。

論文

プローブ計測の基礎から応用まで

雨宮 宏*; 和田 元*; 豊田 浩孝*; 中村 圭二*; 安藤 晃*; 上原 和也; 小山 孝一郎*; 酒井 道*; 橘 邦英*

プラズマ・核融合学会誌, 81(7), p.482 - 525, 2005/07

プラズマ核融合学会からの依頼原稿である。幅広い専門分野にわたる学会誌読者のために核融合プラズマでのプローブ測定の実際を解説した。第1章では、シングルプローブにおけるプローブ特性から電子温度と密度を決定する手順と電子エネルギー分布関数の測定法及びイオン温度の測定について静電エネルギー分析器,イオン感受プローブを取り上げて解説した。第2章ではダブルプローブにおけるイオン温度とフローの測定法を非対称プローブと回転対称プローブを取り上げて解説した。原研のトカマクのJFT-2, JFT-2a及びJFT-2Mで得られたデータを紹介してプローブ測定の実際を解説した。

論文

Parallel and radial transport of ELM plasma in the SOL and divertor of JT-60U

朝倉 伸幸; 武智 学; 大山 直幸; 仲野 友英

Journal of Nuclear Materials, 337-339, p.712 - 716, 2005/03

 被引用回数:14 パーセンタイル:70.37(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合炉のダイバータと第一壁への熱負荷を予測するために、特にELM発生後に放出される熱・粒子束の輸送過程を解明する必要がある。JT-60UのELMy Hモードプラズマにおいて、ELM発生直後、半径方向へのプラズマ輸送を、3か所のポロイダル位置に設置した可動マッハプローブで高速測定した。ELM発生直後、イオン飽和電流は、高磁場側及び低磁場側のスクレイプオフ層(SOL)で急激に増加する。それらの半径方向分布は第一壁付近まで広がり、特に、高磁場側SOLでの粒子束が大きく増加することが測定された。一方、低磁場側SOLで、磁気振動の増加とイオン飽和電流の増加との時間差が観測され、半径方向のプラズマ輸送速度を評価(1$$sim$$3km/s)した結果、MASTやJETで観測された値(0.5$$sim$$1km/s)より大きいことがわかった。さらに、ELM発生直後、ダイバータ板でプラズマ粒子束と浮遊電位の変化を高速測定した。ストライク点付近で測定したイオン飽和電流は、電子電流側に大きく増加し、浮遊電位もマイナス数100Vへ変化することから、高速電子がイオン流より先に到達し、ダイバータ板付近で高電位のシースを形成すると考えられる。この時間変化とイオン流束への影響を議論する。

論文

A Comparison between divertor heat loads in ELMy and HRS H-modes on JFT-2M

川島 寿人; 上原 和也; 西野 信博*; 神谷 健作; 都筑 和泰; Bakhtiari, M.; 永島 芳彦*; 小川 宏明; 星野 克道; 鈴木 貞明; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 80(11), p.907 - 908, 2004/11

JFT-2Mにおいて、2次元${it D}$$$alpha$$放射,ダイバータ電子温度及びイオン飽和電流などの高速計測を初めて実施し、高リサイクリング定常(HRS)H-mode及びELMy H-mode放電時のダイバータ熱負荷を比較した。HRS H-mode時のダイバータ熱負荷は、ELMy H-mode放電中の熱負荷を時間平均したレベルまで減ぜられており、ELMの瞬間の大きな熱負荷を避けられることがわかった。また、ELMは熱と粒子両者の急激な輸送増大であるのに対し、${it D}$$$alpha$$放射増大を伴うHRS H-modeは、粒子輸送の増大が支配的であることもわかった。

論文

Calibration of heavy ion beam probe energy analyzer using mesh probe in the JFT-2M tokamak

神谷 健作; 三浦 幸俊; 井戸 毅*; 浜田 泰司*

Review of Scientific Instruments, 74(9), p.4206 - 4208, 2003/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Instruments & Instrumentation)

メッシュプローブを用いた重イオンビームプローブ用平行平板型エネルギー分析器の直接的な較正手法を確立した。ガス散乱による較正実験においてメッシュプローブ内にサンプル体積を導入した後、ACバイアスを印加することにより、観測される2次ビームの規格化差分量がバイアス電圧に比例することを確認した。同時に、規格化差分量のバイアス電圧に対する勾配が、理論計算から予想されるように分析器への入射角に依存することも確認できた。ビームのメッシュ透過率は約40%であるが、ビーム電流は10マイクロAとすることにより良好なS/Nが得られた。今回の絶対較正結果は誤差10%以下であり、メッシュプローブを用いない通常のガス散乱による較正結果と良い一致を示した。

論文

Design of beam optics in the proton beam transport line from synchrotron to spallation neutron target

明午 伸一郎; 野田 文章*; 藤森 寛*; 池田 裕二郎

Proceedings of ICANS-XVI, Volume 3, p.967 - 976, 2003/07

J-PARCの核破砕中性子ターゲットには1MWの出力を持った3GeV陽子ビームが入射するが、この陽子ビーム輸送ライン(BT)において、ビーム損失はハンズオンメンテナンスを達成させるために1W/m以下にする必要がある。しかし、加速後のビームの位相空間分布が全く不明なために、シンクロトロン内に設置したコリメータのアパチャーで決定されるエミッタンス(324$$pi$$mrad)のビームを全て輸送可能なものとした。本研究では、加速器出射等によるビーム軌道の外乱を評価した。現状の設計に合うためには、電磁石磁場の均一性は偏向及び四極電磁石において、それぞれ5x10$$^{-4}$$及び2x10$$^{-3}$$よりも良くする必要があることがわかった。また、アライメントの誤差は1mm及び1mrad以下にする必要がわかった。

論文

複合プローブによる水/溶融金属混相流場の温度・相判別同時計測; 信号処理回路の開発

柴本 泰照; 佐川 淳*; 久木田 豊*; 中村 秀夫

混相流, 17(2), p.171 - 179, 2003/06

水/溶融物混相流実験への適用を目的として、局所における流体相判別と温度計測を同時かつ高速で行う複合プローブを開発した。細径の露出型熱電対を用いて、温度測定と同時に、溶融金属・水・蒸気のいずれの相の温度を測定しているかを検出する。100kHzの交流信号を熱電対に印加し、熱電対と接地間の電気イピーダンスを計測することで相判別を行う。交流信号は、アンプで増幅される前にローパスフィルター(LPF)によって温度信号から分離される。初期設計段階では、熱電対が金属相に接触し、電気的に接地されるたびに温度信号に大きなノイズがでる問題が生じたが、LPFを再設計することでこれを改善した。最終設計では、水-溶融物-蒸気各々の相に対して、相表面の高速移動と温度変化の計測に成功した。

報告書

Irradiation effects on plasma diagnostic components, 2

西谷 健夫; 四竈 樹男*; 杉江 達夫; 河西 敏; 石塚 悦男; 河村 弘; 角田 恒巳; 八木 敏明; 田中 茂; 鳴井 實*; et al.

JAERI-Research 2002-007, 149 Pages, 2002/03

JAERI-Research-2002-007.pdf:8.08MB

ITER工学R&Dの一環として計測機器要素の照射試験を核分裂中性子,$$gamma$$線,14-MeV中性子を用いて実施した。14-MeV中性子及びCo-60$$gamma$$線照射下におけるKU-1溶融石英の紫外域透過率を測定したところ、200-300nmの波長域に著しい透過損失が生じることがわかった。5種類のITER共通資料の光ファイバーをJMTR及びCo-60$$gamma$$線で照射試験を行った。KS-4V,KU-H2G及びフッ素添加ファイバーは極めて高い耐放射線性を示し、ITERの真空容器外側付近まで導入できる見通しを得た。マイカ薄膜ボロメータを0.1dpaまでJMTRで照射した。第1照射サイクルの停止時にボロメータの断線が発生し、金を蒸着した抵抗体は、ITERにおいて問題であることを示した。磁気プローブもJMTRで照射試験を行った。磁気プローブに長時間デジタル積分器を接続したところ、1000sに対し、10-40 mVsのドリフトが観測されたが、照射誘起起電力ばかりでなく、積分器自体のドリフトによる発生したと考えられる。1000sの積分時間に対し、ドリフトを0.5 mVs以下に抑えうる、ITER仕様の磁気プロープをMIケーブルを用いて製作できる見通しが得られた。

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