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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

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

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:1 パーセンタイル:62.02(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

Measurement of void fraction distribution in steam-water two-phase flow in a 4$$times$$4 bundle at 2 MPa

Liu, W.; 永武 拓; 柴田 光彦; 高瀬 和之; 吉田 啓之

Transactions of the American Nuclear Society, 114, p.875 - 878, 2016/06

原子力機構では、事故時炉心露出過程を明らかにするための炉内二相水位に深く関連する高温高圧低流量条件におけるボイド率特性の解明及び事故時炉心内二相流解析の予測精度の向上に関する研究を実施している。本報では、高温高圧低流量条件におけるバンドル内ボイド率分布データ及びコード検証するための気泡に関する詳細情報を取得することを目的として、ワイヤーメッシュセンサーを用い、高温高圧条件下でのバンドル内ボイド率データの取得を行っている。試験装置は、9$$times$$9三層式ワイヤーメッシュセンサーを4$$times$$4の模擬バンドル内に、軸方向2カ所に配置したものである。本報では、蒸気-水二相流に対して、1.6MPa(202$$^{circ}$$C), 2.1MPa(215$$^{circ}$$C)及び2.6MPa(226$$^{circ}$$C)条件で実施した試験により得た、炉心スクラム後を想定した低流量条件でのバンドル内ボイド率分布計測結果について報告する。

論文

中性子で見る原子炉内蒸気/水の("3D"+"2D+Time")可視化

呉田 昌俊

VizJournal, (11), 5 Pages, 2004/06

本研究成果論文は、原研が独自に開発した中性子ラジオグラフィ熱流動計測技術の一部である可視化技術に関して解説したものである。新計測技術により得られる大量の詳細データは、適切な可視化手法を用いて観察することが研究の観点から重要である。有効な観察を実現するため最先端の可視化技術を効果的に組合せたソフトを開発し、立体視表示やアニメーション表示などによる現象の詳細な把握を可能とした。本論文は、特に日経サイエンス主催ビジュアルサイエンスフェスタ2003入賞作品を製作する基盤となっている可視化技術を、一般読者にも理解し易いように多くの図や動画を活用して解説した。

論文

Experimental study on thermal-hydraulics and neutronics coupling effect on flow instability in a heated channel with THYNC facility

井口 正; 柴本 泰照; 浅香 英明; 中村 秀夫

Proceedings of 10th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-10), 16 Pages, 2003/10

BWR炉心では、核動特性と熱水力特性は常に相互に影響し合い、これを核熱結合と呼ぶ。従来は、炉外での核熱結合模擬は困難であった。これは、主として核動特性のリアルタイム模擬と高温・高圧でのボイド率のリアルタイム計測が困難であったことによる。著者らは、核動特性のリアルタイム模擬の手法を提案するとともに、リアルタイム計測が可能なボイド率計測手法を確立し、炉外での核熱結合模擬に成功した。この模擬手法を用いて、核熱結合条件でのチャンネル安定性データをTHYNCにより取得した。実験は、圧力2-7MPa,サブクーリング10-40K,質量流束270-667kg/m$$^{2}$$sの範囲で行った。THYNCデータでは、核熱結合効果により、チャンネル安定限界は低下した。今回のTHYNC実験では実機の場合よりも核熱結合の影響が顕著となる条件設定であったが、非核熱結合条件の場合に比べて安定限界低下率は、圧力7MPaで10%以内であった。

論文

Unit sphere concept for macroscopic triggering of large-scale vapor explosions

丸山 結*; 森山 清史; 中村 秀夫

Journal of Nuclear Science and Technology, 39(8), p.854 - 864, 2002/08

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

高温液体粒子,低温液体及びその蒸気から成る大規模粗混合領域における自発的蒸気爆発のトリガリングに関する単位球体コンセプトを開発した。粗混合領域内に、単位構造として球体が形成されると仮定し、単位球体の中心に1個の高温液体粒子,表面に12個の近接粒子を配置させる。単位球体コンセプトでは、中心粒子で発生する機械的エネルギーと近接粒子を覆う蒸気膜の機械的崩壊に要するエネルギーとの比及び中心粒子で発生する機械的エネルギーが溶融状態にある近接粒子に到達する確率をトリガリングの指標とした。本コンセプトから、高温液体としてのアルミナ粒子及び低温液体としての水から構成される粗混合領域では、コリウムの場合に比べてより小さい水のサブクール度でトリガリングが生じること,雰囲気を0.5MPa程度まで昇圧させた場合には、アルミナ,コリウムともに水蒸気爆発の発生が抑制されるという知見を得た。KROTOS実験の解析を実施し、コリウムの場合、アルミナと比較して第2の指標が小さくなることが判明した。このことは、コリウム粒子を含む粗混合領域においてトリガリングが相対的に生じがたいことを示唆する。さらに、溶融スズジェットを水層に突入させる一連の実験を行い、第2指標が定性的に適切であることを確認した。

報告書

BWR核熱不安定模擬試験装置THYNCの試験部オリフィス及びスペーサの流動抵抗

井口 正; 浅香 英明; 中村 秀夫

JAERI-Research 2002-006, 152 Pages, 2002/03

JAERI-Research-2002-006.pdf:5.52MB

筆者らは、BWR炉心での核熱水力不安定性の機構を解明するために、THYNC実験を行っている。THYNC実験では、実炉の炉心流動を忠実に模擬すべく、試験部出口にオリフィス抵抗体を、試験部内に丸セル型スペーサを設置している。THYNC実験データの解析には、オリフィス抵抗体やスペーサの流動抵抗を知っておく必要がある。そこで、THYNC試験装置のオリフィス抵抗体及びスペーサの単相流時及び二相流時の流動抵抗を測定した。その結果を用いて、流動抵抗のパラメータ依存性を検討した。併せて、分離流などの基本的な二相流モデルの二相流増倍係数に対する適用性を検討した。その結果、以下のことがわかった。(1)単相流時の流動抵抗は、Re数の関数として、圧力,質量流束の影響を表現できる。また、流動抵抗の予測には、従来の予測法により、流動抵抗を精度よく予測できる。ただし、スペーサについては、流路占有率などの複雑な形状依存性があるため、流動抵抗の高精度の予測には、実験で実験定数を定める必要があった。(2)二相流増倍係数とクオリティの関係は、圧力2MPa~7MPaでは線型関係とみなせる。二相流増倍係数とクオリティの関係は、圧力,形状に依存し、質量流束の影響は小さい。(3)オリフィス及びスペーサの二相流増倍係数は、分離流モデルで$$pm$$20%の精度で予測できる。適用範囲は、圧力2MPa~7MPa,質量流束133kg/m$$^{2}$$s~667kg/m$$^{2}$$sである。一方、均質流モデルでは、実験定数を導入しないと高精度の予測はできない。形状に依存した実験定数を導入することにより、$$pm$$20%の精度で予測できる。

論文

Multi-dimensional thermal-hydraulic analysis for horizontal type PCCS

新井 健司*; 栗田 智久*; 中丸 幹英*; 藤木 保伸*; 中村 秀夫; 近藤 昌也; 小幡 宏幸*; 島田 ルミ*; 山口 献*

Proceedings of 10th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 10) (CD-ROM), 7 Pages, 2002/00

次世代型BWR格納容器の過圧破損を防ぐ静的格納容器冷却系(PCCS)横型熱交換器の総合性能の確認を目的として、13年度から大型モデル試験を行っている。この大型モデル試験の開始に先立ち、TRACコードの3次元炉心モジュールに改造を施した多次元二相流コードを用いてPCCS熱交換器2次側のボイド率分布及び1次側の熱交換器伝熱管間の流量配分を求めた。この結果、除熱性能と圧力損失の双方で要求性能を満たすこと、膜沸騰が生じないこと、上部管束と下部管束との間からかなりの2次側冷却水の流入があること,除熱管間の流量配分が各管の除熱量に依存することなどを予測した。

報告書

瞬時計測型流路断面平均ボイド率計の開発; BWR条件への適用

井口 正; 渡辺 博典; 木村 守*; 安濃田 良成

JAERI-Research 2001-032, 111 Pages, 2001/05

JAERI-Research-2001-032.pdf:4.14MB

著者らは、流路断面平均ボイド率を非定常計測する実用的なコンダクタンス型ボイド率計を開発した。本ボイド率計は、流路内の二相流ボイド率と二相流電気伝導度との相関関係を利用する。空気/水2相流による校正試験を行った結果によれば、ボイド率$$alpha$$は電流比I/I$$_{0}$$(I$$_{0}$$は、満水時の電流)を用いて、$$alpha$$=1-I/I$$_{0}$$で近似できる。このボイド率計を、高温・高圧のBWR条件(290$$^{circ}C$$,7MPa)に適用し、その計測性能を調べた。その結果、電極部の耐熱性に改良の余地があるが、高温・高圧でもボイド率$$alpha$$$$alpha$$=1-I/I$$_{0}$$で近似できることがわかった。ただし、水の電気比抵抗の温度依存性を考慮する必要がある。このため、水の電気比抵抗の温度依存性を調べるとともに、温度補正式を導出した。また、本ボイド率計を規模の大きい試験装置に適用するときには、回路のキャパシタンスの影響が無視できなくなる。このため、この影響を抑制する方策を講じた。高温高圧条件下で流量133kg/m$$^{2}$$s以下、2$$times$$2管群流路で、ボイド率0%~70%では誤差10%以内でボイド率を測定できた。本ボイド率計は、原理的に流量の影響を受けない。このため、流量変動がある条件でのボイド率計測が可能である。

論文

Visualization and measurements of liquid phase velocity and void fraction of gas-liquid metal two-phase flow by using neutron radiography

斎藤 泰司*; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 飛田 吉春*; 鈴木 徹*; 松林 政仁

Proceedings of 9th International Symposium on Flow Visualization, p.391_1 - 391_10, 2000/00

高速増殖炉の炉心溶融事故では、溶融燃料-スチールの混合層で再臨界の可能性が予想される。再臨界を抑制するメカニズムの一つは負のボイド反応度効果を有する溶融燃料-スチール混合層におけるスチールの沸騰である。沸騰による反応度の変化を評価するためには溶融燃料-スチール混合層中の気液二相流の特性を知ることが必要であり、気体-液体金属の二相混合状態の基本特性を研究するために溶融燃料-スチール混合層中の沸騰気泡を液体金属層の断熱気体の気泡によって模擬した実験を行った。中性子ラジオグラフィと画像処理技術を用いて二相混合状態の可視化、液相移動速度及びボイド率の測定を行った。これらの測定により気体-液体金属二相混合気の基本特性が明らかにされた。

論文

Numerical investigation of heat transfer enhancement phenomenon during the reflood phase of PWR-LOCA

大貫 晃; 秋本 肇

Journal of Nuclear Science and Technology, 36(11), p.1021 - 1029, 1999/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.55(Nuclear Science & Technology)

日本原子力研究所で実施した大型再冠水試験では高出力集合体での熱伝達が促進した。ある半径方向出力分布のもとでの炉心熱伝達の促進はPWR-LOCAにおける安全裕度を定量化するうえで非常に重要である。本研究では、多次元二流体モデルコードREFLA/TRACにより大型再冠水試験の結果を解析することにより熱伝達促進現象を引き起こす物理機構を分析した。熱伝達の促進は炉心内循環流の形成により生ずる局所液流速の増加に起因し、その循環流は半径方向出力分布により形成されるクエンチフロント下側での水頭の半径方向分布により生ずる。熱伝達促進現象を高精度に予測するための解析上の指針を提示した。

論文

核融合炉真空容器内に侵入した冷却水の飛散挙動に関する数値予測

高瀬 和之; 小瀬 裕男*; 秋本 肇

日本機械学会第12回計算力学講演会講演論文集, p.395 - 396, 1999/00

核融合実験炉(ITER)の真空容器内に水が侵入すると減圧沸騰を起こして圧力が上昇し、容器破損を引き起こすことが考えられる。そこで、ITERで真空容器内水侵入事象(ICE)が起こった場合の2相流挙動を軽水炉の安全評価解析で実績のあるTRAC-PF1コードを用いて数値解析的に調べた。解析モデルはITERのトカマク型真空容器及びサプレッションタンクを模擬した3次元構造である。解析条件はITERで予測されている最大ICE事象を模擬するように設定した。解析パラメータはダイバータのスリット間隔である。本解析により、サプレッションタンクの圧力上昇抑制効果とリリーフパイプ径の関係並びに総侵入水量に占めるサプレッションタンクへの流入量の割合と時間の関係が明らかになった。これらの結果をもとにICE事象時の効率的なサプレッションシステムを検討する考えである。

論文

The Review of the application of neutron radiography to thermal hydraulic research

三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 斎藤 泰司*; 中村 秀夫; 松林 政仁

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 424(1), p.66 - 72, 1999/00

 被引用回数:17 パーセンタイル:21.03

高精度計測法としての熱中性子ラジオグラフィの確立に関連して実施した定常熱中性子ビームを用いる高速度中性子ラジオグラフィ開発の現状及び日本原子力研究所と京都大学原子炉実験所が協力して実施した混相流研究への応用をレビューした。このレビューには、高性能マイクロエレクトロニクス機器、高出力研究炉、核融合炉のプラズマ対向機器の冷却系に関連する狭間隙矩形流路及び小口径円管内の断熱空気-水二相流のボイド率測定だけでなく、高密度比の気体-溶融金属二相流、原子炉のシビアアクシデント解析に関連した溶融金属-水相互作用の可視化とボイド率計測を含めた。さらに、高転換軽水原子炉稠密炉心の模擬サブチャンネル内における断熱空気-水流のボイド率に関して新しい実験データを示した。結果として、中性子ラジオグラフィが熱水力研究において有望な可視化計測法であることが実証された。

論文

Visualization and measurement of gas-liquid metal two-phase flow with large density difference using thermal neutrons as microscopic probes

三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 斉藤 泰司*; 西原 英晃*; 飛田 吉春*; 小西 賢介*; 松林 政仁

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 424(1), p.229 - 234, 1999/00

 被引用回数:23 パーセンタイル:14.2

高速増殖炉の炉心溶融事故時において、格納容器プール中で燃料-鋼材混合物が沸騰を起こす可能性がある。このため、シビアアクシデント時の安全評価に関連して、溶融炉心の再臨界性の可能性を評価しておくことは不可欠である。大きい液体-気体密度比を有する気液二相流は燃料-鋼材混合物の沸騰に起因して形成される。高密度比は二相流の基本特性に影響を与えると予想されるが、大きい液体-気体密度比を有する二相流に関する研究はこれまでほとんど行われていない。本研究では、気体-液体金属二相流の可視化とボイド率計測を中性子ラジオグラフィ及び画像処理技術を用いて行った。その結果、二相流の基本流動特性に及ぼす気相及び液相間の高密度化の効果が明らかとなった。

論文

A Feasibility study on core cooling of pressurized heavy water moderated reactor with tight lattice core

大貫 晃; 大久保 努; 秋本 肇

Proceedings of 7th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-7) (CD-ROM), 10 Pages, 1999/00

将来型炉の候補として原研で設計研究が進められている稠密炉心を用いた重水減速加圧水型炉の大破断LOCA時再冠水期の炉心冷却に関するフィージビリティ・スタディを行った。原研で開発整備してきた多次元二流体モデルコードREFLA/TRACによる2次元解析により評価した。現在の設計案では圧力容器内の多次元的な熱流動挙動により炉心冷却性が支配され、炉心中心領域での冷却は良好であるが外周部での冷却は悪い。安全基準を満たすうえで上部プレナム注水が有効であることを示した。

論文

Assessment of REFLA/TRAC code for heat transfer enhancement phenomena during the reflood phase of PWR-LOCA

大貫 晃; 秋本 肇

Proc. of 5th Int. Topical Meeting on Nuclear Thermal Hydraulics,Operations and Safety, 00(00), p.1 - 6, 1997/04

PWR-LOCA再冠水期の熱伝達促進現象は、被覆管最高温度を予測する上で重要な現象である。原研で実施した大型再冠水試験では高出力バンドルでの熱伝達が促進された。本研究では、大型再冠水試験でのデータを使い、熱伝達促進現象に対する多次元二流体モデルコードREFLA/TRACの予測性能を評価した。炉心内での循環流の形成が予測され、高出力バンドルでの液上昇流速は低出力バンドルでのものより高くなった。高液上昇流速により熱伝達促進が予測され、その程度は半径方向出力分布形状によらず良くデータと一致した。REFLA/TRACコードの多次元モデルはPWR-LOCA再冠水期の熱伝達促進現象の予測に適用できる。

論文

Analysis of residual heat removal process due to natural circulation in a water pool of a passive safety light water reactor

大貫 晃; 新谷 文将; 秋本 肇

PHOENICS J. Comput. Fluid Dyn. Its Appl., 9(3), p.326 - 342, 1996/09

日本原子力研究所(原研)で設計を進めている受動的安全炉JPSRの成立性を左右するものとして重力注水プール内での余熱除去過程がある。原研ではこの余熱除去過程の設計用解析ツールとしてPHOENICSコードを採用し、物性値ルーチンの整備及び各種物理モデル(界面せん断力、界面熱伝達及び壁面熱伝達)の組み込みを行った。次に現設計案の余熱除去能力を調べるため、このコードによる解析を行った。解析結果によると、余熱を有する流入蒸気流量の約半分が凝縮されず格納容器側へ放出された。今後、計算グリッドや時間ステップ幅の感度解析を実施すると共に、物理モデルの妥当性についても実験データにより検証する必要がある。

論文

Measurement of dynamic behavior of void fraction in tube-banks of a simulated fluidized-bed by neutron radiography

小澤 守*; 梅川 尚嗣*; 松田 健*; 竹中 信幸*; 松林 政仁; 鶴野 晃

Fifth World Conf. on Neutron Radiography, 0, p.610 - 616, 1996/00

流動層熱交換器に関してボイド率の分布は、一つの重要な設計要因である。この分野における最近の研究の進展により、特に熱交換用管群周りのボイド率の動的挙動把握の重要性が強調されている。本研究では、実時間中性子ラジオグラフィ及び画像処理を模擬流動層内の管群周りの流動に適用し、実時間二次元ボイド率分布の計測を行った。その結果、画像データから流動層熱交換器周りの定量及び定性的な流動情報が得られ、中性子ラジオグラフィの流動層への適用の有用性が確認された。

論文

Three-dimensional void fraction measurement of two-phase flow in a rod bundle by neutron radiography

竹中 信幸*; 浅野 等*; 藤井 照重*; 和田 哲昌*; 松林 政仁; 鶴野 晃

Fifth World Conf. on Neutron Radiography, 0, p.118 - 125, 1996/00

中性子ラジオグラフィのCT法を用いて軽水炉燃料を模擬した4$$times$$4ロッドバンドル内スペーサ近傍の空気-水二相流の3次元ボイド率分布を計測した。ロッドバンドル内スペーサ近傍の二相流の振る舞いは軽水炉の安全性研究において重要でありながら他の手法によっては観察が困難であったが、本計測により明りょうに可視化された。その結果、スペーサの影響がはっきりと観察され、中性子ラジオグラフィを軽水冷却原子炉の安全性研究のための熱水力研究における計測に応用できることが分かった。

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