Heat transfer characteristics of downward saturated boiling flow in vertical round pipes

和田 裕貴; 柴本 泰照; 日引 俊*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 239, p.126598_1 - 126598_18, 2025/04

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126598

This study reviewed the saturated boiling heat transfer research in downward flows. A database of downward flow heat transfer experiments was created using experimental studies. Saturated boiling heat transfer correlations in internal flows were collected, and no downward flow-specific heat transfer correlations were identified. The applicability of heat transfer correlations to downward flow heat transfer experiments was evaluated, and no correlation could predict the heat transfer coefficients accurately for all experimental databases. However, correlations that could predict heat transfer coefficients reasonably well were determined for each channel size. Cooper's correlation [Int. Chem. Eng. Symp. Ser. 86 (1984) 785-792] had a mean absolute percentage error (MAPE) of 11.7% for mini-channels and Kim and Mudawar's correlation [Int. J. Heat Mass Transf. 64 (2013) 1239-1256] had an MAPE of 66.5% for macro-channels. Furthermore, because the advection direction between the liquid-phase and the generated bubbles differed depending on the liquid-phase velocity in downward flows, we evaluated the prediction performance of the heat transfer coefficient for the liquid-phase velocity. For some experimental data, the prediction performance of the existing correlation for downward flow heat transfer worsened as the advection velocity of the bubbles decreased. This result is one of the issues to be addressed in the future development of heat transfer correlations.

Heat transfer coefficients model for SIMMER-III and SIMMER-IV

Brear, D. J.*; 近藤 悟; 曽我部 丞司; 飛田 吉春*; 神山 健司

JAEA-Research 2024-009, 134 Pages, 2024/10

JAEA-Research-2024-009.pdf:2.45MB

SIMMER-III/SIMMER-IVは液体金属高速炉の炉心崩壊事故(CDA)の解析に使用する計算コードである。CDAの事象進展は炉心物質間の熱伝達係数(HTC)により大きく影響される。溶融・固化、蒸発・凝縮といった質量移行現象も熱伝達により支配される。複雑な多相・多成分系においては、一つの流体成分と他の流体又は構造材表面との間での多数の異なるHTCを計算する必要がある。また、多相流の流動様式や構造材の配位に従って異なる伝熱モードを考慮する必要もある。結果として、各計算セルごとに数十のHTCが計算される。本報告書には、SIMMER-III/SIMMER-IVのHTCモデルの役割、選定したHTC相関式とその技術的背景、流動様式の取扱いとHTCの内挿方法、検証及び妥当性確認の成果概要を記載する。

Kinetic analysis of mass transfer of Eu(III) in extractant-impregnated polymer-layered silica particle in multiple-ion distribution system

宮川 晃尚*; 林 直輝*; 岩本 響*; 新井 剛*; 長友 重紀*; 宮崎 康典; 長谷川 健太; 佐野 雄一; 中谷 清治*

Analytical Sciences, 40(2), p.347 - 352, 2024/02

https://doi.org/10.1007/s44211-023-00462-x

複数のランタノイドイオンを含む錯体溶液中における単一抽出剤含浸高分子被覆シリカ粒子中のEu(III)分配機構を蛍光顕微分光法を用いて調べた。律速段階はEu(III)と2つの抽出剤分子との反応であった。得られた機構と速度定数は、Eu(III)溶液中でEu(III)が粒子に分配される単元素系の機構と一致した。

Eu(III) transfer in single -tetraoctyldiglycolamide-impregnated polymer-coated silica particle using fluorescence microspectroscopy; Transfer mechanism and effect of polymer crosslinking degree

宮川 晃尚*; 高橋 拓海*; 崩 愛昌*; 岩本 響*; 新井 剛*; 長友 重紀*; 渡部 創; 佐野 雄一; 中谷 清治*

Analytical Sciences, 39(11), p.1929 - 1936, 2023/11

https://doi.org/10.1007/s44211-023-00402-9

本研究では、単一のジグリコールアミド誘導体抽出剤(TODGA)を含浸させたポリマー被覆シリカ粒子におけるEu(III)分布を明らかにした。Eu(III)とポリマー層中の2つのTODGA分子との反応が律速過程であることが、速度定数(k and k)とEu(III)とHNOの濃度との間に相関がないことから明らかとなった。

Development of numerical analysis method of oxygen concentration near wall of lead-bismuth eutectic channel

渡辺 奈央; 山下 晋; 上澤 伸一郎; 西原 健司; 吉田 啓之

Proceedings of 20th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-20) (Internet), p.3522 - 3534, 2023/08

JAEAでは、鉛ビスマス共晶合金(LBE)を冷却材とする加速器駆動型核変換システム(ADS)を設計している。LBE流路壁の腐食速度の推定は、安全性や構造物全体の寿命を検討する上で重要な課題である。腐食速度は材料表面に形成される酸化層の状態に依存する。そこで、本研究では数値解析により酸化層の成長および溶解(OLGD)速度を推定することで、ADSにおける腐食速度を評価し設計に反映できる手法の構築を目的とする。OLGD速度は材料とLBE間の酸素と鉄の質量移動速度およびLBE中におけるこれらの移流拡散速度と相互に依存している。したがって、OLGD速度を推定するには、3つの数値解析モデルを連成させて解を得る必要がある。このうち、移流拡散の計算には、ADS中の複雑な流れへの適用性からCFDコードの使用が合理的である。一方、移流拡散に比べてはるかにスケールの小さい現象である材料とLBE間の質量移動およびOLGDについては、何らかの相関式を用いることが合理的である。本報告では、JAEAが開発しているCFDコードJUPITERを用いたOLGD速度の解析手法の構築について述べる。なお、材料とLBE間の質量移動速度およびOLGD速度の相関式については、実験式から導出され先行研究で用いられた既存のモデルを修正して用いた。

Estimation for mass transfer coefficient under two-phase flow conditions using two gas components

南上 光太郎; 塩津 弘之; 丸山 結; 杉山 智之; 岡本 孝司*

Journal of Nuclear Science and Technology, 60(7), p.816 - 823, 2023/07

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2146015

For proper source term evaluation, we constructed the theoretical model to estimate the mass transfer coefficient of gaseous iodine species under two-phase flow conditions, which complicates the direct experimental measurements. The mass transfer speed is determined by the product of the overall mass transfer coefficient and the interfacial area. By using the ratio of two gas components, the interfacial area, which is an important parameter that is difficult to measure, can be canceled out and the ratio of their overall mass transfer coefficients can be obtained. This ratio is expected to be equal to the ratio of their diffusion coefficients. Therefore, the unknown mass transfer coefficient such as iodine species can be estimated using the diffusion coefficients of two gas components and the reference mass transfer coefficient such as O. We carried out the experiments using the bubble column to confirm this relationship. From the results in this study, we confirmed that the ratio of the overall mass transfer coefficient was in good agreement with the ratio of diffusion coefficient under the bubbly flow conditions. Using this relationship confirmed in this study, we estimated the mass transfer coefficient of I, one of the iodine species.

Large-eddy simulation on gas mixing induced by the high-buoyancy flow in the CIGMA facility

安部 諭; 柴本 泰照

Nuclear Engineering and Technology, 55(5), p.1742 - 1756, 2023/05

https://doi.org/10.1016/j.net.2023.01.019

The hydrogen behavior in a nuclear containment vessel is a significant issue when discussing the potential of hydrogen combustion during a severe accident. After the Fukushima-Daiichi accident in Japan, we have investigated in-depth the hydrogen transport mechanisms by utilizing experimental and numerical approaches. Computational fluid dynamics is a powerful tool for better understanding the transport behavior of gas mixtures, including hydrogen. This paper describes a large-eddy simulation of gas mixing driven by a high-buoyancy flow. We focused on the interaction behavior of heat and mass transfers driven by the horizontal high-buoyant flow during density stratification. For validation, the experimental data of the Containment InteGral effects Measurement Apparatus (CIGMA) facility were used. With a high-power heater for the gas-injection line in the CIGMA facility, a high temperature flow of approximately 390C was injected into the test vessel. By using the CIGMA facility, we can extend the experimental data to the high temperature region. The phenomenological discussion in this paper help understand the heat and mass transfer induced by the high-buoyancy flow in the containment vessel during a severe accident.

A 3D particle-based simulation of heat and mass transfer behavior in the EAGLE ID1 in-pile test

Zhang, T.*; 守田 幸路*; Liu, X.*; Liu, W.*; 神山 健司

Annals of Nuclear Energy, 179, p.109389_1 - 109389_10, 2022/12

https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109389

The ID1 test was the final target test of the EAGLE experimental framework program. It was used to verify that during a core disruptive accident, the molten fuel could be discharged via wall failure of an inner duct in FAIDUS, a design concept for the sodium-cooled fast reactor. The ID1 results revealed that the wall failure behavior owed to the large heat flow from the surrounding fuel/steel mixture. The present study numerically investigated the heat transfer mechanisms in the test using the finite volume particle method in the three-dimensional domain. The thermal hydraulic behaviors during wall failure were reproduced reasonably. The present three-dimensional simulation mitigated inherent defects of our previous two-dimensional calculation and clarified that the solid fuel and liquid steel close to the outer surface of the duct can expose the duct to high thermal loads, resulting in the wall failure.

Marking actinides for separation; Resonance-enhanced multiphoton charge transfer in actinide complexes

松田 晶平; 横山 啓一; 矢板 毅; 小林 徹; 金田 結依; Simonnet, M.; 関口 哲弘; 本田 充紀; 下条 晃司郎; 土井 玲祐; et al.

Science Advances (Internet), 8(20), p.eabn1991_1 - eabn1991_11, 2022/05

https://doi.org/10.1126/sciadv.abn1991

fブロック元素は化学的性質が類似している。一方、それらの電子スペクトルではf電子準位間の光学遷移が明瞭に異なる。このf-f遷移波長での共鳴励起によって元素の酸化状態を制御することができれば、化学的な分離が難しいfブロック元素の精密分離技術が生まれる可能性がある。これまでに3つのランタノイド元素で共鳴多光子還元が観測されているが、アクチノイドでの共鳴多光子反応は報告例はなかった。本研究では硝酸水溶液においてアクチノイドの一つである三価アメリシウムの共鳴多光子電荷移動による光酸化を観測した。また、硝酸錯体が一次過程に寄与することが示唆された。

耐放射線性ダイヤモンド半導体撮像素子の開発(委託研究); 令和2年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 産業技術総合研究所*

JAEA-Review 2021-026, 47 Pages, 2021/11

JAEA-Review-2021-026.pdf:2.16MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和2年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、研究課題のうち、令和元年度に採択された「耐放射線性ダイヤモンド半導体撮像素子の開発」の令和2年度の研究成果について取りまとめたものである。本研究は極めて高い耐放射線性が確認されているダイヤモンド半導体素子を利用して、耐放射線性可視光固体撮像素子の実現を目標として研究開発を行うものである。開発目標として、ダイヤモンド金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)をベースとして電荷結合素子(CCD)の基本動作となる電荷転送動作を確認する。また、ダイヤモンド固体撮像素子が可視光における感度を得るために、中性不純物準位を用いた革新的ダイヤモンドフォトダイオードを試作し評価を行う。