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論文

JASMINE Version 3による溶融燃料-冷却材相互作用SERENA2実験解析

堀田 亮年*; 森田 彰伸*; 梶本 光廣*; 丸山 結

日本原子力学会和文論文誌, 16(3), p.139 - 152, 2017/09

Among twelve FCI cases conducted in the OECD/NEA/CSNI/SERENA2 test series using two facilities, six steam explosion cases, five from TROI and one from KROTOS, were analyzed by JASMINE V.3. Major model parameters were categorized into "focused zone", a core part of interest, and "peripheral zone", the initial and boundary conditions given intentionally for each test case. For the former, base values established through past validation studies of JASMINE V.3 were applied. The code was modified to implement the measured distribution of entrained droplet size acquired in TROI-VISU. For the latter, melt release histories were given as a combination of time tables of jet diameter and release velocity that were estimated based on image data and transit timing data of the melt leading edge. The base values were shown to predict impulse responses of SERENA2 systematically with a reasonable error band. A statistical analysis based on the LHS method was performed. Uncertainty ranges were given based on measurement errors and past validation studies in the JASMINE development. Underlying mechanisms causing apparent differences in the mechanical energy conversion ratio between two facilities were studied from the view point of breakup length and trigger timing.

論文

Analytical tool development for coarse break-up of a molten jet in a deep water pool

森山 清史; 中村 秀夫; 丸山 結*

Nuclear Engineering and Design, 236(19-21), p.2010 - 2025, 2006/10

 被引用回数:21 パーセンタイル:82.37(Nuclear Science & Technology)

軽水炉シビアアクシデント時における溶融炉心/冷却材相互作用(FCI)の粗混合過程及びデブリベッド形成過程を解析的に評価するため、FCI粗混合解析コードJASMINE-preを開発した。JASMINE-preは融体ジェット,融体粒子,融体プールの3成分からなる融体モデルを、二相流解析モデルと連成したものである。二相流モデルは原研で開発されたACE-3Dコードに基づくものである。融体ジェット及び融体プールモデルは各々水中を流下する溶融炉心と底部で塊状になった融体を一次元で表したものであり、融体粒子モデルではラグランジュ的なグループ粒子の概念を用いている。また、簡易的なモデルとして、静止水中における粒子の生成と沈降・冷却のみを考慮したコード「pmjet」を開発した。これらのモデルを用いて、コリウム融体の冷却実験であるFARO実験のうち、水プールが飽和温度の場合と高サブクール条件の場合のシミュレーションを行った。JASMINE-preによる計算結果は、圧力上昇及び融体分裂について実験とおおむね一致した。また、計算結果より、粗混合領域内の溶融状態のコリウム質量は、定常的な融体ジェット分裂のもとでほとんど一定に保たれることがわかった。さらに、この粗混合融体量の計算結果について、JASMINE-preとpmjetの間でよい一致が見られた。

報告書

Coarse break-up of a stream of oxide and steel melt in a water pool (Contract research)

森山 清史; 丸山 結; 宇佐美 力*; 中村 秀夫

JAERI-Research 2005-017, 173 Pages, 2005/08

JAERI-Research-2005-017.pdf:11.17MB

水プール中における融体ジェットの分裂は、軽水炉シビアアクシデント時における水蒸気爆発の粗混合過程及びデブリ冷却性に関連する重要な現象である。高温の酸化物及び鋼材の融体ジェットの水プール中における分裂挙動に関する実験を行った。目的は、ジェット分裂長さ及び分裂によって生じる融体液滴のサイズ分布,これらに対する融体物性の影響に関するデータを得ることである。また、融体ジェット分裂機構の検討に有用な、融体ジェットを取り巻く蒸気カラムの流れの強さや、これと融体液滴サイズの関係に関するデータの取得を試みた。実験では酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム混合物とステンレス鋼の融体ジェット(水面で直径$$sim$$17mm,速度$$sim$$7.8m/s)を深さ2.1m又は0.6mで種々のサブクール度を持つ水プールに落下させた。 本実験の結果及び既存の実験データを用いた検討により、融体ジェット分裂長さ,融体ジェットが完全に分裂しない浅いプールの場合の分裂割合、及び、ジェット分裂によって生じる融体液滴サイズに関する相関式を得た。

論文

Evaluation of ex-vessel steam explosion induced containment failure probability for Japanese BWR

森山 清史; 高木 誠司; 村松 健; 中村 秀夫; 丸山 結

Proceedings of 2005 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '05) (CD-ROM), 9 Pages, 2005/05

BWR Mk-II型モデルプラントにおける炉外水蒸気爆発による格納容器破損確率を評価した。評価対象シナリオは圧力抑制プール及びペデスタルにおける水蒸気爆発である。水蒸気爆発による負荷の確率分布を評価するために、ラテン超方格サンプリング(LHS)による確率論的手法を用い、その中で水蒸気爆発解析コードJASMINEを物理モデルとして使用した。水蒸気爆発による負荷と格納容器破損確率を関連付けるフラジリティカーブは、格納容器破損に至るシナリオについて簡略な仮定をおいて評価した。得られた条件付格納容器破損確率(水蒸気爆発発生あたり)の平均値は圧力抑制プールにつき6.4$$times$$10$$^{-2}$$、ペデスタルにつき2.2$$times$$10$$^{-3}$$である。なお、これらは仮定した入力パラメータの範囲及び、保守的な簡略化により与えたフラジリティカーブに依存するものであることに留意する必要がある。

論文

Simulation of alumina and corium steam explosion experiments with JASMINE v.3

森山 清史; 中村 秀夫; 丸山 結

Proceedings of 6th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operations and Safety (NUTHOS-6) (CD-ROM), 18 Pages, 2004/10

軽水炉のシビアアクシデントにおいて水蒸気爆発が格納容器健全性に及ぼす影響を評価するため、原研では水蒸気爆発解析コードJASMINEを開発している。融体としてアルミナとコリウムを用いた水蒸気爆発実験,KROTOS-44, 42, 37及びFARO-L33について、JASMINEコードによる解析を行った。解析では、融体細粒化に関するモデルパラメータを変更せず、粗混合における両材料の挙動の違いに基づいて、アルミナとコリウムの水蒸気爆発の強度の違いを再現することができた。コリウムの場合、粗混合時の固化割合が高く、またボイド率が大きいことが解析で示され、これらが水蒸気爆発の挙動の違いの主たる要因であると考えられる。

報告書

溶融シリコンの水蒸気爆発に関する研究

森山 清史; 丸山 結*; 中村 秀夫

JAERI-Research 2002-021, 36 Pages, 2002/11

JAERI-Research-2002-021.pdf:6.0MB

シリコンは、軽水炉の炉心構成材料であるジルコニウムと同様に酸化し易い材料であり、また、半導体産業で溶融物が扱われるため、その水蒸気爆発挙動に関心がもたれている。そこで、シリコン溶融物の水蒸気爆発特性及び水蒸気爆発における酸化反応の影響について実験によって調べた。実験は水プールへ溶融物を投下する体系で行い、2回の実験でともに激しい自発的水蒸気爆発が発生した。エネルギー変換率は従来のテルミット溶融物による実験と比較して同等からやや大きい程度で4~9%であり、溶融物の細粒化はこれまでの実験よりかなり進んでおり、デブリの質量中央径は65~85$$mu$$mであった。デブリ表面の酸化膜に関する分析により、5$$mu$$m程度の厚さの酸化膜が認められ、シリコンの数%が酸化した可能性がある。

論文

軽水炉シビアアクシデント時の溶融炉心/冷却材相互作用(FCI)に関する研究の現状

森山 清史; 中村 秀夫; 平野 雅司

日本機械学会第8回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.209 - 214, 2002/06

これまでに蒸気爆発に関する実験で得られた知見を整理した。また、蒸気爆発の各過程に関して実炉規模評価の手法とそこに含まれる不確かさの重要度について検討を行った。その結果、実験的知見の不足している領域として、粗混合における融体ジェット分裂過程を取り上げることにした。これに基づき、原研では深い水プール内での蒸気爆発粗混合過程について、高温の酸化物融体を用いて模擬する実験を計画している。実験に使用する融体材料とスケールについて実炉現象模擬性の観点で検討し、適切な条件を実現できる見通しを得た。

論文

A Simple evaluation method of the molten fuel amount in a premixing region of fuel-coolant interactions

森山 清史; 丸山 結*; 中村 秀夫

Journal of Nuclear Science and Technology, 39(1), p.53 - 58, 2002/01

 被引用回数:6 パーセンタイル:41.16(Nuclear Science & Technology)

水蒸気爆発の粗混合過程における粗混合溶融炉心量を簡易的に評価するモデルを提案した。これは溶融物ジェットの水中での分裂と発生した粒子の沈降及び冷却に基づくものである。本モデルをKROTOS実験のアルミナ及びコリウム溶融物のケースに適用すると、アルミナとコリウムの粗混合状態では溶融粒子の割合が大きく異なる結果となった。これは両物質における水蒸気爆発の発生し易さの相違の原因の一つを示唆したものと考えられる。本モデルをPWRの格納容器内水蒸気爆発の条件に適用すると、約20秒で圧力容器から100tの溶融炉心が流出した時点で、粗混合状態にある溶融炉心は5~10t程度であるという見通しが得られた。

報告書

JASMINE-pro: A Computer code for the analysis of propagation process in steam explosions; User's manual

Yang, Y.; Nilsuwankosit, S.; 森山 清史; 丸山 結; 中村 秀夫; 橋本 和一郎

JAERI-Data/Code 2000-035, 86 Pages, 2000/12

JAERI-Data-Code-2000-035.pdf:4.01MB

蒸気爆発とは、高温液体が低温の揮発性液体にその内部エネルギーを与え、低温液が急速に蒸発して高圧を発する現象である。軽水炉の安全研究の分野では、シビアアクシデント時に圧力容器や格納容器の健全性を損なう恐れのある現象のひとつとして、溶融炉心と冷却材の接触による蒸気爆発がとりあげられ、研究されてきた。日本原子力研究所(原研)では、このような蒸気爆発が原子炉のバウンダリに及ぼす影響を評価するため、蒸気爆発解析コードJASMINEを開発した。JASMINEコードは、蒸気爆発の「粗混合」及び「伝播」過程を扱うJASMINE-pre及び-proの2つの部分から成るが、このうちJASMINE-proは、蒸気爆発伝播過程における伝熱流動現象を混相流の多流体モデルに基づいて解析するものである。本報告書は、JASMINE-proコードの使用法及び、ユーザーがコードの動作を理解するうえで必要な情報を提供するユーザーズマニュアルである。

報告書

ALPHA visual data collection STX005-025; Melt drop steam explosion experiments

森山 清史; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 杉本 純

JAERI-Data/Code 99-017, 34 Pages, 1999/03

JAERI-Data-Code-99-017.pdf:7.96MB

水蒸気爆発は、高温の液体から低温揮発性の液体への急速な伝熱、高温液体の細粒化等の一連の過程が、低温液体の急速な蒸発による衝撃波の発生、伝播とともに進行し、結果的に高温液体の保有する熱エネルギーが機械的エネルギーへと変換される現象である。原子力安全、とくに軽水炉のシビアアクシデントの分野では、溶融炉心と冷却材の接触による水蒸気爆発が格納容器の健全性に対する潜在的脅威として認識され、研究されてきた。原研では事故時格納容器挙動試験(ALPHA)計画の中で、鉄-アルミナテルミット混合溶融物を溶融炉心模擬材として用いた水蒸気爆発実験を行った。本報告は、とくに高速度カメラによる画像情報に重点をおいて実験データを提供するものである。

論文

Study on premixing phase of steam explosion at JAERI

山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; H.Park*; Y.Yang*; 杉本 純

Nucl. Eng. Des., 189(1-3), p.205 - 221, 1999/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:29.56(Nuclear Science & Technology)

原研のALPHA計画において、溶融物ジェットの分散及び細粒化について調べるための実験(MJB実験)を行った。最初の2回の実験で鉛-ビスマス共晶合金の溶融物ジェットを飽和温度の深い水プールに落下させ、水蒸気発生率を計測して高速度カメラによる観測と比較検討した。また、ジェットの分散長とデブリの粒径分布を調べた。さらに、ALPHA計画では水蒸気爆発過程のシミュレーションのために数値解析コードJASMINEを開発している。コードに組み込んだ溶融物のジェット及び粒子の分散モデルの有効性を調べるため、MJB実験及びイタリアで行われたFARO実験の解析を行った。

論文

Visualization study of molten metal-water interaction by using neutron radiography

三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 斉藤 眞弘*; 山本 靖*; 森山 清史; 杉本 純

Proc. of Int. Seminar on Vapor Explosions and Explosive Eruptions, p.101 - 109, 1997/00

本研究の目的は、水蒸気爆発の粗混合過程を調べるため、水中に落下させた溶融金属のふるまいを中性子ラジオグラフィー法により可視化することである。この目的のため、高フレーム中性子ラジオグラフィー法を用いた、高感度、高速イメージシステムを製作した。実験装置は、るつぼとテスト部より構成され、るつぼは溶融金属を650$$^{circ}$$Cまで加熱可能である。テスト部に重水を満たし、溶融金属(ウッズメタル)を重水中に落下させた。高フレーム中性子ラジオグラフィー法により、重水中の溶融金属ジェットのブレークアップや塊り挙動を観察した。その結果、液体、蒸気ないし空気泡、溶融金属ジェットのブレークアップないし液滴、微粒化後の溶融金属小球の密集部などを識別できることを明らかにした。実験後に溶融金属デブリを収集し、ブレークアップ挙動とデブリ球の径と形状の関連について調べた。

論文

Study of premixing phase of steam explosion with JASMINE code in ALPHA program

森山 清史; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 杉本 純

Proc. of ASME$$cdot$$JSME 4th Int. Conf. on Nuclear Engineering 1996 (ICONE-4), 1(PART B), p.903 - 915, 1996/00

原研では水蒸気爆発解析コードJASMINEの開発を行っている。本コードは(株)富士総合研究所によって開発された多次元多相流水力解析コードMISTRALをベースに開発され、現在粗混合モジュールの基本的な枠組みを完成して試計算を行っている。基礎式はもとのコードのものを用いており、冷却材、蒸気、溶融炉心の3相についての質量、運動量、エネルギー保存式を3次元オイラー系で記述したものである。相間の相互作用項と流動様式については、粗混合過程の現象をモデル化したものを組みこんだ。コード検証の第一段階として固体粒子を水中に投入した実験について解析を行い、実験結果との間で比較的良好な一致が得られた。また、コードに組みこまれているTVDスキームが溶融物の分布を精度よく捕らえるために有効であることがわかった。

論文

Accident management measures on steam explosion and debris coolability for light water reactors

丸山 結; 山野 憲洋; 工藤 保; 日高 昭秀; 杉本 純

NEA/CSNI/R(95)3, 0, p.223 - 240, 1995/07

軽水炉の溶融炉心冷却材相互作用を明らかにするために、ALPHA計画では溶融物落下水蒸気爆発実験、溶融物冷却性実験を実施している。これらの実験の主目的の1つは、格納容器内における水蒸気爆発及びデブリ冷却性に関するアクシデントマネジメント手法の有効性を検討することである。両実験から、溶融物が冷却水プール中に落下する体系では、溶融物の分散により水蒸気爆発発生の確率が減少すること、溶融物分散がより大規模な水蒸気爆発を引き起こし得ることをあきらかにするとともに、水蒸気爆発の抑制に対する雰囲気圧力及び冷却水温度の効果を確認した。また、冷却水を溶融物に供給する体系における溶融物と冷却水との熱伝達特性を評価した。この体系で発生する水蒸気爆発は、溶融物落下体系のものより規模が小さかったことから、溶融物上への冷却水の供給は有効なアクシデントマネジメント手法であると考えられる。

論文

軽水炉シビアアクシデント時の伝熱流動

杉本 純

伝熱研究, 34(133), p.52 - 59, 1995/04

軽水炉のシビアアクシデント時の伝熱流動は、炉心の大幅な損傷や溶融が伴うことから、溶融炉心と冷却材(気液二相)の相互作用、溶融炉心とコンクリートの反応、水蒸気ないし水素雰囲気中でのFPエアロゾルの挙動や水素の一次系や格納容器内での挙動など、一般に多成分・多相流が関与するとともに、現象として極めて複雑・多様であることに大きな特徴がある。本稿では、アクシデントマネジメントも含めた軽水炉のシビアアクシデント時の主な伝熱流動現象について、原研の成果を中心に研究の現状と今後の課題をまとめた。

論文

Phenomenological studies on melt-coolant interactions in the ALPHA program

山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 日高 昭秀; 杉本 純

Nuclear Engineering and Design, 155(1-2), p.369 - 389, 1995/04

 被引用回数:43 パーセンタイル:95.91(Nuclear Science & Technology)

ALPHA計画では、溶融物冷却材相互作用を明らかにするために2シリーズの実験を実施している。溶融物落下水蒸気爆発実験では、溶融炉心を模擬した溶融物を冷却水プール中に落とし、粗混合領域中の溶融物、水、水蒸気の体積割合、溶融物沈降速度、伝播速度、膨張速度、エネルギー変換効率及びデブリ特性を評価した。また、水中侵入前の溶融物分散の影響を調べ、溶融物分散により水蒸気発生が増大すること、水蒸気爆発発生確率が減少すること、より規模の大きい水蒸気爆発を引き起こし得ることを明らかにした。溶融物冷却性実験では、溶融物上に冷却水を供給し、層状における水蒸気爆発を調べた。この実験で溶融物噴出直後の水蒸気爆発が発生したが、その規模は溶融物落下体系で観測されたものよりも小さかった。溶融物噴出現象は、冷却水とスプレイノズルを介して供給すること、冷却水と飽和温度程度まで加熱することにより抑制された。

論文

Dynamic response of a containment surrounding extreme pressure source due to steam explosion

吉江 伸二*; 福田 博徳*; 丸山 結; 山野 憲洋; 杉本 純

Transactions of 13th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT-13), 4, p.359 - 370, 1995/00

水蒸気爆発は、シビアアクシデント時に格納容器の健全性を脅かし得る現象の1つと考えられている。原研では水蒸気爆発現象を明らかにするために、事故時格納容器挙動試験計画(ALPHA)において、溶融物落下水蒸気爆発実験を実施している。この実験シリーズの中で最大規模の水蒸気爆発が生じたと推定された実験について、流体-構造相互作用解析コードAUTODYN-2Dを用いて、水蒸気爆発によって発生した圧力波の模擬格納容器内伝播解析を実施した。水蒸気爆発に関与した溶融物の割合、圧力源の拘束条件をパラメータにした解析を行い、圧力波伝播特性を把握するとともに、実験で観測された模擬格納容器内圧力履歴と比較した。

論文

Generation of destructive forces during fuel/coolant interactions under severe reactivity initiated accident conditions

更田 豊志; 藤城 俊夫

Nucl. Eng. Des., 146, p.181 - 194, 1994/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:61.28(Nuclear Science & Technology)

苛酷な反応度事故条件下では、溶融した燃料が被覆管の破損口から冷却材中に噴出して、水蒸気爆発などの燃料/冷却材相互作用を生じ、圧力波並びに冷却材の吹き上げによる水塊の衝突などの破壊力が発生する。このとき、燃料棒の初期内圧は、溶融燃料の噴出速度、即ち溶融燃料と冷却材の粗混合条件に影響を及ぼし、発生破壊力を左右する。そこで、燃料棒初期内圧を変化させてNSRR実験を実施し、発生圧力及び機械的エネルギに及ぼす影響を明らかにした。高加圧燃料棒の場合には、極めて高い圧力の発生が燃料棒破損直後に記録された。また、燃料棒破損直後の破壊力発生に加えて、二次的な激しい燃料/冷却材相互作用が遅れて生じる可能性のあることが示された。また、微粒子化した燃料の粒子径分布について検討を加え、Rosin-Rammler分布関数を用いて粒子の比表面積を求め、微粒子化の程度と発生破壊力との関係を定量的に明らかにした。

論文

Findings from ALPHA program in the context of required containment capability

杉本 純; 山野 憲洋; 丸山 結; 工藤 保; 早田 邦久

Safety Options for Future Pressurized Water Reactors, 0, 14 Pages, 1994/00

原研のALPHA計画では、シビアアクシデント時に格納容器に加わる負荷を評価し、リーク挙動を明らかにし、またアクシデントマネジメントの有効性を検討することを目的に、(1)溶融炉心冷却材相互作用試験、(2)電線貫通部リーク試験、(3)溶融炉心コンクリート相互作用試験、(4)エアロゾル挙動試験、を実施している。本論では、格納容器に求められる能力に関し、ALPHA計画でこれまでに得られた知見について述べている。溶融炉心冷却材相互作用試験では、水蒸気爆破の発生を抑制するのに溶融物分散板が有効であること、溶融物の上から注水することはアクシデントマネジメントとして一般に有効であることを確かめた。リーク試験では、圧力より温度負荷が支配的であること、多くのシビアアクシデントに対し電線貫通部は健全性を保ち得ることを確かめた。今後は、実炉へのスケーリング則及びアクシデントマネジメントの有効性確認が重要である。

報告書

ALPHA計画溶融物落下水蒸気爆発実験; 現象の把握とエネルギー変換効率の推定

杉本 純; 山野 憲洋; 丸山 結; 日高 昭秀; 早田 邦久

JAERI-M 92-035, 20 Pages, 1992/03

JAERI-M-92-035.pdf:5.26MB

軽水炉のシビアアクシデント時に格納容器に加わる負荷と格納容器からのリーク挙動を明らかにし、またアクシデントマネージメントの有効性に関する定量的な検討に資するため、事故時格納容器挙動試験計画(ALPHA計画)を実施している。本報では、ALPHA計画で行う溶融炉心冷却材相互作用試験のうち、テルミット反応により生成した溶融物10kg及び20kgを水中に落下させ、水蒸気爆発を起こさせた実験結果についてもまとめたものである。この実験では、水蒸気爆発現象を高速度カメラにより撮影・記録することに成功した。また、水槽壁で得られた圧力パルスから、溶融物の有する熱エネルギーから水蒸気爆発で発生した運動エネルギーへの変換効率の推定を行った。

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