A Numerical study on machine-learning-based ultrasound tomography of bubbly two-phase flows

和田 裕貴; 廣瀬 意育; 柴本 泰照

Ultrasonics, 141, p.107346_1 - 107346_16, 2024/07

https://doi.org/10.1016/j.ultras.2024.107346

Ultrasound tomography of bubbly two-phase flows using machine learning (ML) was investigated by performing two-dimensional ultrasound numerical simulations using a finite element method simulator. To date, studies on ultrasound tomography for two-phase flow measurements have been conducted only for some bubbles. However, in an actual bubbly flow, numerous bubbles are complexly distributed in the cross-section of the flow channel. This limitation of previous studies originates from the transmission characteristics of ultrasound waves through a medium. The transmission characteristics of ultrasound waves are different from those of other probe signals, such as radiation, electrical, and optical signals. In this study, the feasibility of combining ultrasound tomography with ML was evaluated for dense bubble distributions with up to 20 bubbles (cross-sectional average void fraction of approximately 0.29). We investigated the effects of the temporal length of the received waveform and number of sensors to optimize the system on the prediction performance of the bubble distribution. The simultaneous driving of the installed sensors was simulated to reduce the measurement time for the entire cross-section and verify the applicability of the method. Thus, it was confirmed that ultrasound tomography using ML has sufficient prediction performance, even for a complex bubble distribution with many bubbles, and that the cross-sectional average void fraction can be predicted with high accuracy.

拡張型スーパードラゴン多関節ロボットアームによる圧力容器内燃料デブリ調査への挑戦(委託研究); 令和3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; 東京工業大学*

JAEA-Review 2022-060, 91 Pages, 2023/02

JAEA-Review-2022-060.pdf:3.95MB

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3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(1F)の廃炉等を始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「拡張型スーパードラゴン多関節ロボットアームによる圧力容器内燃料デブリ調査への挑戦」の令和元年度から令和3年度の研究成果について取りまとめたものである。本課題は令和3年度が最終年度となるため3年度分の成果を取りまとめた。令和元年度から令和3年度の本研究を通して、研究代表者の下で各研究項目間ならびに廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)等との連携を密にして、1F現場に実機適用すべく、現場との意見/情報交換を行いながら、研究を進めた。研究実施計画を推進するための打合せや会議等を開催し、ペデスタル上部に位置する圧力容器底部の状況把握を可能とする技術の実現を目指して、長尺の多関節ロボットアームにより、手先の位置姿勢の制御をしながら、カメラのSfM技術および超音波計測技術と組み合わせてアーム先端部の自己位置を把握しつつ、炉内構造物の状況把握を行う。また、レーザーを用いたLIBS技術により核物質の分布状況把握を行う遠隔探査手法のアームへの実装技術を開発した。さらには、楢葉遠隔技術開発センター等を活用し実証試験を行い、その実現性を確かめた。以上、3カ年計画の3年目である本年度の業務項目を実施し、3カ年計画の所期の目標を達成し、本報告書にとりまとめた。

拡張型スーパードラゴン多関節ロボットアームによる圧力容器内燃料デブリ調査への挑戦(委託研究); 令和元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; 東京工業大学*

JAEA-Review 2020-040, 55 Pages, 2021/01

JAEA-Review-2020-040.pdf:3.95MB

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、令和元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、「拡張型スーパードラゴン多関節ロボットアームによる圧力容器内燃料デブリ調査への挑戦」の令和元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、長尺の多関節ロボットアームにより、手先の位置姿勢の制御をしながら、アーム先端部の自己位置を把握しつつ炉内構造物の状況把握を行うとともに、核物質の分布状況把握を行う遠隔探査手法のアームへの実装技術を開発することを目的として、令和元年度は、ロボットアームの設計改良、LIBSプローブの試作・LIBS信号の確認・改良検討、LIBS改良検討のための模擬試験体の試作、超音波センサの開発、小型超音波送受信系の設計・試作、SfM技術・超音波計測技術による形状再構成の課題点の抽出などを行い、本報告書にとりまとめた。

超音波による気・液相界面の計測と挙動の観察

秋野 詔夫; 小谷野 清*; 薄井 良子*; 太田 直美*

可視化情報学会誌, 21(Suppl.2), p.147 - 148, 2001/09

ISプロセスの反応器や分離器などの容器の中では、気・液界面や液・液界面が存在し、その位置の計測や界面の挙動の情報は、制御のために不可欠である。超音速の界面からの反射信号の時間遅れから界面の位置を計測し、その信号の特徴から界面の挙動に関する情報を得る手法を開発する目的で本研究を行った。ガラス製の円筒状セル内に、各種液体を注入し、音速を測定した。次いで、メスシリンダー状のガラス製の細長いセルに、水,油(比重2.0)及び空気を入れ、振盪後の混合状態から、相分離が進行し、3層に分離し安定かつ平坦な界面に落ち着く過程を、現象と超音波信号波形を同時にビデオに記録し、観察した。これらの成果として、液・液界面の挙動、重い油滴が水中を落下していく過程を、超音波信号から認識できることを明らかにした。円筒セル中で測定した音速を用いて、液・液界面及び気液界面を定量的に計測できることを明らかにした。