Electronic approach to understand the wettability of surface treated titanium with liquid sodium

浪江 将成; 斉藤 淳一; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*

Vacuum, 234, p.114038_1 - 114038_9, 2025/04

https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2025.114038

Wettability of titanium (Ti) and surface-modified (Oxidized or Fluorinated) Ti with liquid sodium (Na) were investigated via experiments and theoretical calculations. From the experimental results, a sliding angle of Na droplet on oxidized Ti was smaller than that on untreated Ti, indicating the worsening of wettability by oxidation. In contrast, the sliding angle of Na droplet on fluoridated Ti was larger than that on untreated Ti, indicating an improvement in wettability by fluorination. Additionally, the cluster models for the interface between Na droplets and treated or untreated Ti were constructed for theoretical calculations of electronic states at the interface, covalent and ionic bonds at the interface were evaluated from the calculation results. The sliding angles obtained in the wettability tests and the strength of covalent bonding at the interface showed no correlation, but good correlation was observed between the sliding angles and ionic bonding at the interface. Thus, the wettability of surface-modified Ti with liquid Na can be theoretically understood based on the atomic interactions at the interface.

Applicability of fluorine gas surface treatment to control liquid sodium wettability

浪江 将成; 斉藤 淳一; 池田 明日香; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*

Surfaces (Internet), 7(3), p.550 - 559, 2024/09

https://doi.org/10.3390/surfaces7030037

The iron (Fe) specimens selected as the substrate metal for this study were surface-treated using fluorine gas, and their wettability with liquid sodium (Na) was evaluated using the sliding angle. Additionally, the surface morphology and binding state were analyzed, and the applicability of wettability control with liquid sodium by fluorination was discussed using the analysis results. Fluorination formed a fluoride layer comprising FeF and FeF bonds on the iron surface. The composition of the fluoride layer varied, depending on the treatment conditions. The surface of the specimen that contains a lot of FeF bonds had a small sliding angle for the liquid sodium droplet and was harder to wet than the untreated specimen. In contrast, the surface of the specimen that contains a lot of FeF bonds had a large sliding angle for the liquid sodium droplet and was easier to wet than the untreated specimen. These results indicate that fluorination is an effective surface modification technique that can be applied to control the wettability of iron with liquid sodium.

Simulation of a jet flow rectified by a grating-type structure using immersed boundary methods

廣瀬 意育; 安部 諭; 石垣 将宏*; 柴本 泰照; 日引 俊*

Progress in Nuclear Energy, 169, p.105085_1 - 105085_13, 2024/04

https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2024.105085

Immersed boundary methods (IBMs) have been developed as complementary methods for computational fluid dynamics (CFD). They allow a flow simulation in a mock-up model that includes complex-shaped inner structures and/or boundaries with a non-body conformal mesh. Such a model might force us to create a complicated body-fitted mesh with a high cost in the conventional CFD (CCFD) approach. We focus on the Brinkman penalization (BP) method and its extended version, which we call here the extended Brinkman penalization method (EBP), among the different types of IBMs, aiming to apply them to the phenomena that occur during severe accidents in a nuclear reactor containment vessel and explore the possibility that the methods can partially replace the CCFD. In this paper, as a preliminary step to validate the applicability of these methods, we measure the jet flow rectified by a grating-type structure used for the validation of numerical techniques and apply them to simulate the behavior of an upward jet rectified by a horizontally placed grating-type structure modeled as an immersed body. This type of structure is generally used in reactor buildings, and it is crucial to evaluate their influence on gaseous flows because the behaviors of hydrogen produced during severe accidents may be influenced by them. The structure is selected as our subject because it has moderate complexity, enabling us to examine the effects of the IBMs and compare them with CCFD. We investigate whether these methods can reproduce a result of corresponding CCFD in which the grating is modeled as body-conformal mesh and show that the former can produce the latter with equivalent accuracy. All these results are also compared with the experimental data on the flow velocity distributions downstream of the grating measured using particle image velocimetry.

燃料デブリ周辺物質の分析結果に基づく模擬デブリの合成による実機デブリ形成メカニズムの解明と事故進展解析結果の検証によるデブリ特性データベースの高度化(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; 福井大学*

JAEA-Review 2022-046, 108 Pages, 2023/01

JAEA-Review-2022-046.pdf:6.25MB

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3年度に採択された「燃料デブリ周辺物質の分析結果に基づく模擬デブリの合成による実機デブリ形成メカニズムの解明と事故進展解析結果の検証によるデブリ特性データベースの高度化」の令和3年度の研究成果について取りまとめたものである。格納容器内部調査等の現場情報、燃料デブリ周辺物質の分析データを参照した模擬実験を行い、号機・領域ごとに、燃料デブリの溶融・凝固メカニズム、デブリ形成プロセスを逆推定し、再現されうる事故条件を検証・評価する(Backward Analysis)。評価結果をこれまで得られている知見と照し合せ、燃料デブリデータベースを高度化する。また、燃料デブリの堆積状態の逆推定から燃料デブリ分析の課題であるサンプル代表性に係る知見の取得を試みる。さらに、燃料デブリ取出しにおいて合理的に排除したい発生確率の低いリスクについて検証試験を行い、このようなリスクが発生する化学条件が、どの程度蓋然をもって発生したのかを調査する。これらの検討結果と最新の事故進展挙動解析結果(Forward Analysis)を本事業の実施者と事故進展解析専門家で共有し、燃料デブリ分析データ活用と、デブリ取出し設計の合理化・効率化に向けた知見を議論する。そのために、酸化物デブリ化学状態の逆解析、金属デブリの混合・溶融・凝固状態の評価およびデブリ特性の詳細把握に向けた試験技術の整備を行い、それら結果をもとにForward AnalysisとBackward Analysisの総合評価を行った。

Numerical simulation of sodium mist behavior in turbulent Rayleigh-Bnard convection using new developed mist models

大平 博昭*; 田中 正暁; 吉川 龍志; 江連 俊樹

Annals of Nuclear Energy, 172, p.109075_1 - 109075_10, 2022/07

https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109075

ナトリウム冷却高速炉(SFR)のカバーガス領域におけるミスト挙動を高精度で評価するため、混合気体のレイリー・ベナール対流(RBC)に対する乱流モデルを選定するとともに、ミストに対するレイノルズ平均数密度とミストの運動量方程式を開発し、OpenFOAMコードに組み込んだ。最初に、単純な並列チャネルのRBCを、Favre平均k-SSTモデルを使用して計算した。その結果、平均温度と流量特性はDNS, LES、および実験の結果とよく一致した。次に、本乱流モデルと新しく開発したミストモデルを用いて、SFRのカバーガス領域を模擬した熱伝達試験装置を計算した。その結果、計算された高さ方向の平均温度分布とミスト質量濃度が試験結果とよく一致した。本研究により、SFRのカバーガス領域において乱流RBC環境でのミスト挙動を高精度にシミュレートできる手法を開発した。

The Multiaxial creep-fatigue failure mechanism of Mod. 9Cr-1Mo steel under non-proportional loading; Effect of strain energy on failure lives

小川 文男*; 中山 雄太*; 旭吉 雅健*; 橋立 竜太; 若井 隆純; 伊藤 隆基*

Transactions of the Indian National Academy of Engineering (Internet), 7(2), p.549 - 564, 2022/06

https://doi.org/10.1007/s41403-021-00279-y

改良9Cr-1Mo鋼の非比例多軸クリープ疲労負荷におけるひずみエネルギーベースの寿命評価法を提案する。非弾性ひずみエネルギー密度は、ヒステリシスループ内の面積として算出した。また平均応力の影響を実験的に検討し、非弾性ひずみエネルギー密度とクリープ疲労寿命の関係を調べた。ヒステリシスループの調査から、最大応力の低下は破損寿命の延長につながるが、ひずみ保持中の応力緩和は強度低下を引き起こすことがわかった。そこで、ヒステリシスループの最大応力とひずみ保持中の最小応力の影響を考慮した非弾性ひずみエネルギー密度の補正法を提案し、単軸および非比例多軸荷重のひずみエネルギー密度を求めた。これらの結果をもとに、非比例多軸荷重下でのクリープ疲労寿命を支配するメカニズムについて考察した。

Numerical modeling of radiation heat transfer from combusting droplets for a sodium fire analysis

青柳 光裕; 高田 孝; 宇埜 正美*

Nuclear Engineering and Design, 380, p.111258_1 - 111258_11, 2021/08

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111258

This study aims to model radiation heat transfer from combusting droplets numerically. In the modeling, radiation energy transport on the combusting area around a sodium droplet is formulated considering emission, absorption and scattering as interaction with surrounding gas radiation. Radiation energy from the combusting droplets is added to the source term of the radiation transport equation in the 6-flux gas radiation model for the multi-dimensional sodium fire analysis code AQUA-SF. Direct radiation heat transfer from combusting droplets can be simulated by this improved model. The improved model is tested through the verification analyses of single droplet combustion and the benchmark analysis on the upward sodium spray combustion experiment. The results of the test analyses show increase in heat transfer to the walls due to the droplet radiation. As the result, the sodium fire analysis becomes more reasonably by the improved model.

Development of cesium trap material for coated fuel particles in high temperature gas-cooled reactors

佐々木 孔英; 三浦 柊一郎*; 福元 謙一*; 後藤 実; 大橋 弘史

Proceedings of 28th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 28) (Internet), 6 Pages, 2021/08

https://doi.org/10.1115/ICONE28-61765

高温ガス炉燃料用のCsトラップ材を開発するため、BiとSbを候補材としてCs-BiやCs-Sbをグラファイト吸収させた試験片を準備し、1500Cまでの熱分析(TG)にて高温下における化学的安定性を評価した。実験の結果、Csは、BiよりもSbと化合することで1500C CTGを経ても良好な安定性を確認できた。なお、何れの試験片においても800Cから1000Cの領域で見られた急激な重量減少は、試験片からCs(沸点671C)が蒸発したためと考えられる。TG後のCs-Sb/グラファイト試験片中にCs-Sb析出物が見られ、その組成はCsSbと同定できた。この実験結果から、Sbはグラファイト中に分散させるCsゲッター材として機能し得ることが分かった。今後、高温ガス炉燃料へのCsトラップ材としての適用性を評価するためには長時間加熱試験の実施が求められる。

Analytical study on removal mechanisms of cesium aerosol from a noble gas bubble rising through liquid sodium pool

宮原 信哉*; 河口 宗道; 清野 裕

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 6 Pages, 2020/08

https://doi.org/10.1115/ICONE2020-16208

ナトリウム冷却高速炉の燃料ピン破損事故では、核分裂生成物であるセシウムがヨウ化物,酸化物の形態として希ガスのキセノンやクリプトンと共に放出される。本研究では、エアロゾル吸着とともに気泡の膨張と変形を計算するプログラムにより、慣性沈着,沈降,拡散によるセシウムエアロゾルの除去挙動を解析した。解析では、初期気泡径、ナトリウムプールの深さと温度、エアロゾル粒子径と密度、気泡内の初期エアロゾル濃度をパラメーターとして解析した。初期の気泡径が慣性沈着による除染係数(DF)に最も感度の高いパラメーターであると結論付けた。ナトリウムプールの深さ、エアロゾルの粒子径および密度もセシウムエアロゾルのDFに重要な影響を与えるが、ナトリウム温度はDFにわずかな影響しか与えないことも分かった。この解析結果を検証するために、ナトリウムプールを上昇する希ガス気泡からのセシウムエアロゾル吸着挙動を調べる実験を計画している。

Comparison of two-phase critical flow models for estimation of leak flow rate through cracks

渡辺 正*; 勝山 仁哉; 真野 晃宏

International Journal of Nuclear and Quantum Engineering (Internet), 13(11), p.516 - 519, 2019/10

冷却材の漏えいは冷却材喪失事故が発生する前に検出できることから、破断前漏えいの観点から、原子炉機器における貫通亀裂からの冷却材の漏えい量を精度よく推定することは安全上重要である。本研究では、2つの代表的な非均質臨界流量評価モデル(Henry-FauskeモデルとRansom-Trappモデル)を用いて、システム解析コードにより得られた2相流の臨界漏えい量の計算結果を比較した。その結果、Henry-Fauskeモデルを用いた場合、亀裂内で圧力の低下と蒸気生成が起きるため、漏えい量が大きく評価されることが分かった。これは、漏えい量は構造物の温度の影響を受けないものの、亀裂表面の粗さの影響を大きく受けること示唆した結果である。