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報告書

高速炉機器の非弾性設計解析法の研究,1; 負荷履歴効果の評価方法の検討

田中 良彦; 笠原 直人

JNC-TN9400 2003-037, 95 Pages, 2003/05

JNC-TN9400-2003-037.pdf:4.11MB

FBRサイクル実用化戦略調査研究の有望概念の一つであるアドバンストループ型炉には、安全性と経済性を高いレベルで両立させるため、多くの革新的アイディアが採用されている。こうしたアイディアの採用により冷却系等の構造が受ける負荷は従来の設計より厳しい条件になる傾向がある。このような厳しい条件への対策の一つとして、非弾性解析に基づく構造設計手法が考えられる。非弾性解析についてはこれまでに多くの研究が行われ、弾性解析に基づく構造設計と比較して、大幅な合理化が達成できる可能性が示されているが実際の設計への導入は進んでいない。構造設計手法として非弾性解析を捉えた場合、様々な設計想定事象により生ずる負荷の履歴によって解析結果が異なってしまうという問題点がその理由の一つである。このような負荷履歴の効果について、一般解を求めることは非常に困難と思われる。以上を踏まえて本報は、アドバンストループ型炉の炉心支持構造を評価事例として、熱過渡負荷を2種類(最も厳しいコールドショックを含むサイクル及び最も厳しいホットショックを含むサイクル)に絞った上で、想定しうる4種類の負荷履歴パターンに対する解析結果を比較検討した。その結果、2種類の熱過渡負荷を各々の発生回数に応じて均等に配分すると構造の損傷評価値等が最も保守的になる傾向があることが明らかになった。そこで非弾性解析結果に対する負荷履歴効果を保守側に抱絡しうる手段として、このような負荷履歴パターンを設定することを提案する。

報告書

原子炉容器液面近傍を対象とした非弾性解析解の構成式依存性に関する検討(研究報告)

安藤 昌教

JNC-TN9400 2003-033, 53 Pages, 2003/04

JNC-TN9400-2003-033.pdf:1.84MB

高速炉の原子炉容器は、上端をコンクリート建屋より支持され、炉心上部プレナムに高温の冷却材を有することから、冷却材液面から上端支持部に至る鉛直方向に大きな温度勾配が生じる。その結果炉壁液面近傍部には降伏応力を超える高い応力が発生することになり、同部位の詳細な挙動を予測するためには非弾性解析が必要不可欠となる。しかしながら、非弾性解析には未だ決定的な構成方程式が存在しないことから、解析者による解の差異が生じやすく、設計への適用が難しいとされている。そこで本研究では、様々な非弾性構成方程式を用いて同部位について非弾性解析を行い、得られた結果を比較することで解の構成式依存性についての検討を行った。本研究により得られた主な結果は以下のとおりである。 ・単調負荷条件下の非弾性解析から得られた解は、構成方程式に依存するが、その最終点は構成方程式に依らず同一の応力緩和曲線上に存在する傾向があることがわかった。 ・弾塑性解析結果と、弾性クリープ解析結果において、発生応力値の一致する点では、非線形ひずみの分布が概ね一致することを確認した。 ・繰返し負荷条件による非弾性解析から得られた解は、応力緩和曲線から外れることがわかった。 ・上記理由として、ラチェットひずみにより非線形ひずみの分布が変化することがあげられる。 ・起動-定常運転-手動トリップの一連の事象を繰返した場合の非弾性解析を行い、応力-ひずみ関係に繰返し応力-ひずみ曲線を使用した場合に対し、単調応力-ひずみ曲線を用いるとラチェットひずみが大きめに評価されることがわかった。

報告書

システム化規格の開発; 第5報 裕度交換手法の開発(その2)

浅山 泰

JNC-TN9400 2003-036, 66 Pages, 2003/03

JNC-TN9400-2003-036.pdf:0.93MB

高速増殖炉(FBR)の実用化に資することを目的として、著者らは、構造健全性に関する新しい規格体系であるシステム化規格の開発を実施している。システム化規格では、技術項目間で余裕を交換し(裕度交換)、全体として合理的な裕度を実現することが大きな特徴の一つである。具体的には、複数の技術項目の組合せに対する信頼度(破損確率)を評価し、これが目標値を満たすかどうかを判定することにより裕度交換の可否を判断する方法が考えられる。しかしながら、設計作業で破損確率を直接扱うと、作業工程が複雑になる可能性もあるので、簡易法の開発が望ましい。著者らは、このために既報において設計係数法等を提案してきたが、本報では、新たに、「ベクトル法」を開発したので報告する。本報で得られた知見は以下のとおり。1)ベクトル法は、予め代表的な条件について、n次元空間において等破損確率曲面を求めておき、次にこの曲面を平面に写像し、平面上のベクトル計算により裕度交換評価を行うものである。作業は容易で、十分な精度を確保できる。2)ベクトル法は、「品質保証指数法」に確率論的な解釈を与えるものであると考えることもできる。3)等破損確率曲面を求めるための手法として、モンテカルロ法などの数値計算によらない、代数的な手法を検討した。この手法は、適用可能な条件下では、数値計算に比べて極めて効率的に破損確率を評価することができる。4)ベクトル法を用いた場合の裕度交換の概略手順を示した。本手法は、システム化規格全体の完成を待たずとも、供用期間中検査計画(ISI)の合理的作成などに資することが期待される。

報告書

非弾性解析による設計法策定のための解析および調査

島川 貴司*; 中村 協正*

JNC-TJ9400 2002-007, 54 Pages, 2003/03

JNC-TJ9400-2002-007.pdf:1.45MB

実用化戦略調査研究の一環として、小型簡素なプラント機器を実現するため高温構造設計法の抜本的な高度化が求められている。その具体化方策として、非弾性解析による設計の実現を目指している。 非弾性解析を活用したFBR設計の合理化のための検討として、平成13年度までに、設計上想定される破損様式を安全側かつ従来の弾性解析による予測法より合理的に評価可能な、古典的非弾性構成則を用いた設計法を提案した。 本研究では、古典的非弾性構成則による予測が実機で想定される負荷履歴にたいしても安全側となることを確認した。また、予測精度の一層の向上が期待される詳細構成式の設計への適用上の課題を調査した。さらに、非弾性解析結果に基く強度評価上の課題である、中間保持状態のクリープ疲労損傷評価クライテリオンの調査を行った。

報告書

高温構造設計高度化研究

森下 正樹; 青砥 紀身; 笠原 直人; 浅山 泰; 佐賀山 豊*; 堂崎 浩二*; 柴本 宏*; 田中 良彦*

JNC-TY9400 2002-025, 889 Pages, 2003/01

JNC-TY9400-2002-025.pdf:26.72MB

核燃料サイクル開発機構(JNC)と日本原子力発電(原電)では、 安全性と経済性に優れた実用高速炉プラント概念の構築を目的として「高速増殖炉サイクル実用化戦略調査研究」を実施している。ここでは、高温構造設計の高度化、新材料の採用、ならびに3次元免震が経済性向上のためのシステム改善方策の枢要技術として挙げられている。 そこで、JNCと原電は、平成12年度より、高温構造設計手法高度化と3次元免震開発に関する共同研究を開始した。本報告書はそのうち、高温構造設計手法高度化に関する平成13年度の成果をとりまとめたものである。なお、本成果のなかには、原電が経済産業省より受託し、JNCがその実施に協力した、高速増殖炉技術確証試験の成果が含まれている。 本研究は、その内容を(1)システム化規格、(2)実用化構造設計基準、及び(3)新材料の基準化、の3つのスコープに整理して進めた。本年度の成果を要約すると、以下のとおりである。 (1)システム化規格 -本年度設置したシステム化規格ワーキンググループ(WG)でシステム化規格開発の枠組みと方向性について行った。 -WGで裕度交換の定義を検討し、有望な裕度交換の方法論3案(破損確率に直接結びつく方法、2次モーメント法を応用する方法、目標信頼度と技術的選択肢の組み合わせに応じて設計係数を細分化して設定する方法)の提案を行った。 -システム化規格の技術的方法論を支える要素技術(荷重条件、材料、破損、確立論的強度評価、検査技術、リスク技術)について例題検討や文献調査を実施した。 (2)実用化構造設計基準 -実用化構造設計基準の基準体系上の課題を解決する為の工夫として4つの提案(「温度と圧力による設計区分」、「破損様式毎の評価法」、「階層・モジュール化構造」、「強度評価

報告書

3次元免震構造に関する研究

森下 正樹; 北村 誠司; 梅木 克彦*; 堂崎 浩二*; 加藤 朝朗*

JNC-TY9400 2002-024, 914 Pages, 2003/01

JNC-TY9400-2002-024.pdf:37.28MB

核燃料サイクル機構(JNC)と日本原子力発電(原電)では、安全性と経済性に優れた実用高速炉プラント概念の構築を目的として「高速増殖炉サイクル実用化戦略調査研究」を実施している。ここでは、高温構造設計の高度化、新材料の採用、ならびに3次元免震が経済性向上のためのシステム改善方策の枢要技術として挙げられている。 そこで、JNCと原電は、平成12年度より、高温構造設計手法高度化と3次元免震開発に関する共同研究を開始した。本報告書はそのうち、高温構造設計手法高度化に関する平成13年度の成果をとりまとめたものである。なお、本成果のなかには、原電が経済産業省より受託し、JNCがその実施に協力した、高速増殖炉技術確証試験の成果が含まれている。 本研究の結果を、(1)3次元免震開発において考慮する地震条件の検討、(2)3次元免震に対する性能要求の検討、(3)3次元免震の開発目標ならびに開発計画の検討、(4)建屋3次元免震の検討、(5)機器上下免震の検討、の5つの観点から要約すると、以下のとおりである。 (1)3次元免震開発において考慮する地震条件の検討 本研究で設定したケーススタディS2は、今回調査した強震記録の中では最大級の地震動と位置付けることが出来る。ただし、断層長さ等の条件によっては、断層近傍での地震動の長周期成分がケーススタディS2を超える場合もある。上下/水平の応答スペクトル値については、0.6とすることが妥当と考えられる。 (2)3次元免震に対する性能要求の検討 3次元免震を導入する場合の成立性範囲は、機器の成立性範囲が支配要因となるものの、その範囲は平成12年度の結果と同じであり、fv=1Hz以下、hv=20%以上となる。 (3)3次元免震の開発目標ならびに開発計画の検討 建屋水平免震指針(JEAG4614)をベースに、昨年度暫定した目標項目との整合を確認し、今後の検討項目の明確にした。また、開発目標項目のなかで、安全性確保に係る項目の優先度が高いことを確認した。 以上の成果を受け、平成21年度までを視野に入れた3次元免震技術の開発計画を策定した。 (4)建屋3次元免震の検討 平成12年度に採択された6概念について、フィージビリティ試験を実施して有望3概念(「油圧機構を用いた3次元免震システム」、「ケーブル補強マッシュルーム型空気ばね3次元免震装置」、及び・・・

報告書

Crack opening displacement of circumferential through-wall cracked cylinders subjected to tension and in-plane bending loads

兪 淵植

JNC-TN9400 2002-079, 32 Pages, 2003/01

JNC-TN9400-2002-079.pdf:0.79MB

(本文:英文) この研究は、引張と板曲げ荷重を受ける周方向貫通き裂を有する管でのき裂開口変位に関するものである。き裂開口変位に関する従来の研究例では、主に引張荷重及び管曲げ荷重を考慮した。また、大型構造物に対してはその適用範囲を超える場合が多い。構造健全性評価の際、簡単のためしばしば殆どの応力が膜成分として取り扱われ、平板あるいは配管モデルによってき裂開口変位が評価される。しかしながら、評価の信頼性のためには応力状態により近いき裂開口挙動を調べることは重要である。その成果は、FBR構造物の炉容器及び1次配管系における漏洩検知評価に緊密に関係することとなる。このような趣旨で、本研究では一連の有限要素解析が実施され、板曲げ応力によるき裂開口変位の特徴と膜応力によるき裂開口変位の特徴が調べられた。なお、平板モデルと配管モデルでの違いを比較することによって、大型配管問題における平板モデルの適用の不合理性を指摘した。本研究の成果は特に高温構造物における漏洩評価への適用が期待される。

報告書

機器上下免震システムの設計手法の調査及び皿ばねの試作

神島 吉郎*

JNC-TJ9410 2002-002, 348 Pages, 2002/10

JNC-TJ9410-2002-002.pdf:12.92MB

機器上下免震構造概念(コモンデッキ方式)を実現するための研究開発の一環として、免震要素及びコモンデッキの設計手法に関する検討、及び試設計の結果について報告する。1)皿ばね及び減衰要素について○まずコモンデッキを支持する皿ばね基数を選定し、円滑な上下方向の動作をガイドするスライド装置の提案を行い、要求性能の実現性を確認した。○減衰要素の候補であるRO型 (鋼棒)ダンパとLED(鉛押し出しダンパ)に対し、実現性ならびに要求性能を比較し、RO型が有効であるとの結論を得るとともに設計定格荷重を定めた。2)○コモンデッキ設計の考え方をまとめ、コモンデッキ採用に伴う安全・系統設計上の問題と対応策(案)を提示した。○コモンデッキを含む機器上下免震構造をモデル化し、地震応答解析を実施した。その結果、十分に健全性を維持することを解析的に明らかにした。3)プラント配置の具体化として、着眼項目を整理し、各種機器配置の適正化を図った。4)実大規模の皿ばね(外径$$phi$$=1000mm) を試作し、その製作性を検証するとともに静的試験を行い、設計式の適用性を確認した。5)本年度の各種検討結果を踏まえ、皿ばね、減衰装置及びコモンデッキの設計法を整理し、設計指針案の見直しを行った。6)具体化された免震装置及びコモンデッキを対象に維持管理方法を摘出・整理し、検査の必要性の高いものを検査項目として抽出した。

報告書

形状記憶合金の機械的特性モデル化

和田 学*; 井出 雄介*; 溝手 信一朗*; 直井 久*; 月森 和之

JNC-TY9400 2002-012, 101 Pages, 2002/08

JNC-TY9400-2002-012.pdf:5.83MB

核燃料サイクル開発機構では、高速炉炉心の安全性・経済性を追求する観点より、炉心の変形挙動を詳細に把握するための解析手法の開発を進めている。この開発プロセスにおいては、炉内実験では十分なデータが得られない為、炉外において集合体モデルを形状記憶合金で作成し、その形状回復機能を使って集合体湾曲挙動を表現することにより、炉心全体としての挙動を模索する方法を考案した。本研究では、この試験方法を実現するために必要な形状記憶合金の熱的・機械的挙動の把握、およびこれに基づく数学的モデル化について検討を行った。本研究の供試材には最近開発された28%Mn-6%Si-55Cr-Feの鉄系形状記憶合金を用い、鉄系形状記憶合金の変形特性に及ぼす熱的・機械的孵化加工ひずみや応力の影響などを材料試験により把握し、数値解析に展開するために有効なモデル式の構築とその妥当性の検証を行った。この結果、今回の研究でモデル化した鉄系形状記憶合金の機械的特性を用いて、縮尺された簡単な燃料集合体模擬試験体の3点曲げ変形挙動を推定できる可能性を得た。

報告書

流体温度ゆらぎに対する応力拡大係数の周波数応答関数

笠原 直人; 古橋 一郎*; 陳 富全*; 安藤 昌教; 高正 英樹*

JNC-TN9400 2002-047, 107 Pages, 2002/08

JNC-TN9400-2002-047.pdf:4.3MB

原子力プラントの機器、配管において温度が異なる冷却材が合流する領域では、流体混合による不規則な温度ゆらぎが生じるため、接液する構造物では繰り返し熱応力による高サイクル疲労破損に注意する必要がある。著者らはこれまで、疲労損傷係数によるき裂の発生評価への適用可能な、流体温度ゆらぎに対する表面熱応力の周波数応答関数を提案してきた。こうしたアプローチに加え、実機の破損は、き裂の発生、進展、貫通といった過程を経ることから、き裂進展特性に基づく適切な検査と補修、き裂の停留評価等も破損防止の有効な手段となり得る。本研究では、き裂進展特性に着目した熱疲労評価への適用を目的として、流体温度ゆらぎに対する応力拡大係数の周波数応答関数を提案した。応力拡大係数は、温度ゆらぎの周波数が高くなると、き裂の進展と共に現象する傾向を示す。これに対して、低周波でかつき裂面に垂直な方向の熱膨張が拘束される場合は、応力拡大係数がき裂の進展と共に増加することから注意が必要となる。

報告書

熱過度応力解析へのGreen関数法の適用範囲の拡張-ナトリウム冷却炉の中間熱交換機内部構造に生ずる熱過度応力の記述-

田中 良彦; 笠原 直人

JNC-TN9400 2002-038, 95 Pages, 2002/06

JNC-TN9400-2002-038.pdf:2.56MB

高速炉機器の過渡熱応力に対する構造設計の合理化を目的として、流動-構造解析を統合して行うことのできるツールである過渡熱応力リアルタイムシミュレーションコードPARTS(Program for Arbitrary Real Time Simulation)の開発が進められている。現状、PARTSの応力解析手法としてはGreen関数法を主として用いている。Green関数とは、ある系における入力と応答の関係を記述する関数である。応答は、厳密には入力と系の2つの性質で決まる。しかしながら、基本的でかつ容易に応答が求まる入力(例:パルス波形入力やステップ波形入力等)を使って系の性質を適切に抜き出した関数を設定することができれば、その関数を用いて一般的な入力に対する応答を近似的に計算することができる。この計算方法をGreen関数法と称する。Green関数法を過渡熱応力の計算に適用する場合、構造物中に発生する過渡熱応力を冷却材のステップ温度変化に対する応答の畳み込み積分という形で算出することになる。構造内部の応力とひずみの釣合い式を逐一計算する有限要素法と比較して、計算時間の短縮が期待できる。将来、Green関数法をプラント機器の構造設計に反映するためには、プラントで想定される条件に対するGreen関数法の適用性を確認しておくことが必要である。著者らはこれまでに、一定熱伝達率の下で、1つの流体が接する構造に対して定義されていたGreen関数を、段階的に変化する熱伝達率の下で、2系統の流体に接する構造に適用できるように拡張し、内面及び外面が別系統の流体に接する円筒構造への適用性を確認している。本報では、形状が複雑で、独立した2系統の冷却材の熱過渡を同時に受け、熱伝達率が経時的に変化する条件のプラント機器の構造設計に対するGreen関数法の適用性を検討した。例として、実用化戦略調査研究の有望概念であるアドバンストループ式ナトリウム炉の中間熱交換機の内部構造を選定し、同構造に生ずる熱過渡応力をGreen関数法で計算した。計算結果を有限要素法による解析結果と比較したところ両者は良く一致し、Green関数法はプラント機器の構造設計にも適用できることが確認された。

報告書

システム化規格の開発(第4報)-確率論を用いた強度計算を目的とする材料の統計的特性:316FR母材材料強度-

川崎 信史; 浅山 泰

JNC-TN9400 2002-017, 89 Pages, 2002/05

JNC-TN9400-2002-017.pdf:1.66MB

高速増殖炉の信頼性、安全性、経済性の三者を成立させるため、荷重の設定方法、製作方法、維持といった従来の構造設計基準より広い分野を対象とする構造健全性評価手法であるシステム化規格の開発が開始されている。異なる分野間を通じ、信頼性・安全性を評価するためには、対象全分野を通し共通して適用できる定量的指標が必要となる。現在この指標案としてはき裂発生確率やき裂貫通確率といったものがあげられている。き裂発生確率やき裂貫通確率の計算のためには、今後材料の分野において、材料特性の確率分布を提供していく必要がある。そのため、本報告書では、 316FR母材材料強度をサンプリングとして、確率分布の策定対策、策定方法及び策定分布の評価方法を検討した。策定確率分布対象は強度評価法との関係から降伏応力、引張強さ、縦弾性計数、ポアソン比、熱膨張係数、主クリープ破断関係式、クリープひずみ式、弾塑性応力ーひずみ関係式、動的応力ーひずみ関係式、最適疲労破損式、クリープ破断伸びとした。その上で、各々の特性について正規分布、対数正規分布、ワイブル分布のいずれかに分布を近似するとともに、策定方法をチャート化した。策定した分布については、策定に使用したデータ範囲、データ数、近似式との相関性の観点から 3段階の評価を実施した。

報告書

システム化規格の開発-第3報 裕度交換手法の開発(その1)-

浅山 泰; 加藤 猛彦*

JNC-TN9400 2002-014, 48 Pages, 2002/04

JNC-TN9400-2002-014.pdf:1.23MB

高速増殖炉(FBR)の実用化のためには、 その信頼性・安全性をさらに向上させながら、経済性を、将来の軽水炉をも凌駕するレベルまで高める必要がある。このために著者らは、平成12年度から、システム化規格の開発を実施している。本報では、システム化規格の根幹をなす概念である裕度交換について、破損確率の評価値をベースとする方法を提案した上で、例題を用いた具体的・定量的な検討を行った。 FBRの原子炉容器が、鍛造リングで製作され供用期間中検査(ISI)を受けない場合と、板材の縦溶接により製作される代わりにISIを受ける場合の 2例を想定し、それぞれについて、熱疲労き裂ま発生、進展を考慮して、破損確率を算出した。その上で、算出された破損確率に基づき、裕度交換の可能性を検討した。この結果に基づき、システム化規格の中で裕度交換を行う方法として、破損確率の算出という手続きを必要としないより簡易な方法である、設計係数を用いる方法(設計係数法)を提案した。この方法は、例えば疲労の場合、現状ではひずみ範囲に対して2、 繰り返し数に対して20の安全率が設けられているが、目標信頼度および技術的選択肢の組み合わせに対応する形で、一律ではない複数の設計係数を新たに設定するものである。本報では、例題検討に基づき、疲労に対してシステム化規格で設定すべき設計係数の値を具体的に試算した。以上により、破損確率の評価に基づく裕度交換および設計係数法がシステム化規格に適用できる見通しを示した。最後に、これらに関する今後の開発課題を示した。

報告書

熱過度応力解析へのGreen関数法の適用範囲の拡張(1)-流速変化を伴う2流体に対する応答のGreen関数による記述-

田中 良彦; 細貝 広視*; 古橋 一郎*; 笠原 直人

JNC-TN9400 2001-121, 44 Pages, 2002/02

JNC-TN9400-2001-121.pdf:1.16MB

高速炉機器の流動-構造解析を統合して行うことにより、設計作業を合理化しうるツールとして、熱過渡応力リアルタイムシステムシミュレーシコードPARTS(Program for Arbitrary Real Time Simulation)の開発が進められている。PARTSは多様な設計条件に対する流動解析と構造解析を一括して実しするツールであることから、解析手法は高速であることが必須となる。現状、応力解析の手法としてはGreen関数法が有望と考えられる。Green関数法は、構造物中に発生する過渡熱応力を冷却材のステップ温度変化に対する応答の畳み込み積分という形で算出する手法であり、有限要素法よりも短時間での計算が可能である。これまでGreen関数法は熱伝達率一定で接する1種類の流体に対する応答を記述するために適用されてきた。本報では、熱伝達係数が変化する2種類の流体に適用できるようにGreen関数法を拡張し、円筒(内面:1次冷却材と接触、外面:2次冷却材と接触、熱伝達率:想定事象後の冷却材流量に応じて変化)への適用性を確認した。

報告書

LBB assessment on ferrite piping structure of large-scale FBR

兪 淵植

JNC-TN9400 2001-120, 27 Pages, 2002/01

JNC-TN9400-2001-120.pdf:0.5MB

近年、高速増殖炉(FBR)の実用化を目標に、その健全性と経済性の観点から破断前漏洩(LBB:leak Before Break)設計法が注目されている。LBB設計法は、万一構造物にき裂が発生し、肉厚を貫通したとしても内容物の漏洩量を検知することによって不安定破壊が起きる前にプラントを安全に止めることを可能にする評価法である。LBB評価のためには、使用温度下での運転条件を考慮した想定荷重からのき裂の進展・貫通挙動、検知器の性能からの漏洩量及び不安定破壊に対する定量的な評価が必要である。高速増殖炉はその使用温度が軽水炉より高いことと冷却材として熱伝達性の高いナトリウムを使用していることから、熱膨張荷重と過渡熱荷重が支配的な運転荷重になると考えられる。そのため、大型FBRの設計では一次冷却系に12Cr系フェライト鋼を用いることで、高温配管系においてより小さい発生応力を図ることが検討されている。本報告書は、高速増殖炉において12Cr系フェライト鋼を用いた大型構造物である一次配管系で、想定される過渡事象を考慮した場合、現状のLBB評価法によりその安全性を評価した結果である。この結果により、高速増殖炉用高温構造物での12Cr系フェライト鋼の有効性を示した。

報告書

温度境界移動に対する接液構造物の周波数応答関数

笠原 直人; 高正 英樹*

JNC-TN9400 2001-118, 69 Pages, 2002/01

JNC-TN9400-2001-118.pdf:1.58MB

原子力プラントの機器・配管において温度が異なる冷却材が合流する領域では、流体混合による不規則な温度ゆらぎが生じるため、熱応力による構造材の疲労破損に注意する必要がある。著者らはこれまで、構造表面の固定された空間上の温度ゆらぎによる応力を周波数に応じて合理的に評価する応答関数を提案してきた。これに対し実際のプラントでは、温度成層界面やホット/コールドスポット等の温度境界が空間上を移動する問題が存在する。本研究では、上記問題に対する熱応力の合理的評価を目的として、温度境界移動に対する接液構造物の周波数応答関数を定式化した。固定境界問題と異なる移動境界問題の特徴は、温度ゆらぎ周波数に加えて移動距離が発生熱応力へ影響することで、移動距離が長くかつ周波数が極端に遅い場合には応力は減衰しなくなる。これに対し、実機で生じる温度成層界面とホット/コールドスポットは通常移動距離が短く周波数も遅いため応力が減衰する。提案した周波数応答関数は、移動距離と変化速度を表す周波数によって現実的に起こりえる応力の応答を定量記述するものである。

報告書

流体温度の多次元空間ゆらぎに対する接液構造物の周波数応答関数

笠原 直人; 高正 英樹*

JNC-TN9400 2001-085, 68 Pages, 2001/09

JNC-TN9400-2001-085.pdf:1.41MB

原子力プラントの機器、配管において温度が異なる冷却材が合流する領域では、流体混合による不規則な温度ゆらぎが生じるため、熱応力による構造材の疲労破損に注意する必要がある。著者らはこれまで、平板の板厚方向の 1次元温度分布によって生じる熱応力を温度ゆらぎの周波数に応じて合理的に評価する周波数応答関数を提案してきた。これに対し、実際のプラントでは、板厚内温度分布に面内の温度分布が加わる多次元温度ゆらぎの発生が指摘されている。本研究では、周波数応答関数による多次元問題の評価を可能とするため、有効拘束係数を導入することによって関数の拡張を行った。これにより、多次元問題である温度成層界面およびホット/コールドスポットにより誘起される熱応力が、周波数応答関数で取り扱えることを示した。

報告書

システム化規格の開発-確率論の考え方(その1); クリープ疲労強度の確率論による試評価

川崎 信史; 浅山 泰

JNC-TN9400 2001-090, 102 Pages, 2001/07

JNC-TN9400-2001-090.pdf:2.56MB

高速増殖炉の実用化のためには、その信頼性と安全性をさらに向上させると同時に、経済性を将来の軽水炉と同等以上に高める必要がある。経済性と信頼性・安全性を両立させるため、従来の構造設計基準が対象範囲としていた設計分野を超え、製造・据付、系統設計・安全設計、運転・維持といった分野を含めた信頼性・安全性評価手法(システム化規格)の開発を開始している。 上記規格の中では、異なる分野間を繋ぐ定量化指標が必要となるため、定量化指標の候補として破損確率を用いる概念の検討を行い、本報告書として取りまとめた。 まずASME Code Case N-578のような確率論の導入を行った場合の評価フロー(構造信頼性評価フロー)を検討した。次に、Na冷却型高速炉の原子炉容器に対する構造信頼性評価の試評価を本評価フローに基づき実施した。その結果、累積き裂発生確率あるいは累積き裂貫通確率がシステム化規格の定量的指標として採用できる見込みを得た。 また、これらの検討結果に基づき、システム化規格導入によるプラント設計におけるメリット、今後の開発課題を取りまとめ、開発の方向性を示した。

報告書

ナトリウム炉配管の構造解析(1)-大形炉ホットレグ配管の熱膨張応力に対するパラメータ感度評価-

古橋 一郎*; 笠原 直人

JNC-TN9400 2001-089, 24 Pages, 2001/07

JNC-TN9400-2001-089.pdf:0.63MB

実用化戦略調査研究Phase1で検討されたアドバンストループ炉のホットレグ配管を対象に、熱膨張応力を解析評価し、そのメカニズムおよび各種設計パラメータ感度を明らかにした。熱膨張応力のメカニズムは以下の通りである。1)エルボは十分に柔でありヒンジに近い挙動となる。2)IHXの支持高さ位置を最適化することで、鉛直方向強制変位と配管系自身の鉛直方向熱膨張を相殺させることができる。3)水平方向熱膨張を鉛直配管部の曲げ変形で吸収する単純梁構造の挙動に近くなる。熱膨張応力の設計パラメータに対する感度の評価結果は以下の通りである。 (1)エルボ撓性係数(敏感):現状計画の範囲では鈍感である。 (2)Yピース剛性(中位):Yピース部応力には敏感だが他部への影響は小さい。Yピースをごうたいとした設計が成立する。 (3)IHXノズルを剛体とした設計が成立する。(4)鉛直相対変位量(敏感):現状計画のIHX支持位置はほぼ最適であり、$$pm$$10mmは設計成立範囲にある。 (5)エルボ曲げ半径(鈍感):現状計画のショートエルボで設計が成立する。12Cr鋼の採用により、現状計画の配管設計が十分に成立する。得られた感度線図を用いて、これらの設計パラメータを変更した場合の熱膨張応力を簡単に予測できる。本報告で得られたこれらの知見はPhase2詳細設計で有効に活用されよう。

報告書

原子炉容器液面近傍熱応力に及ぼす設計因子の感度解析

安藤 昌教

JNC-TN9400 2001-088, 57 Pages, 2001/07

JNC-TN9400-2001-088.pdf:1.42MB

炉内に高温ナトリウムを有する高速炉の原子炉容器は、その構造上ナトリウム液面以下が高温となるのに対し、建屋に支持された上端部は低温に保つ必要がある。そのため液面近傍部には軸方向の急峻な温度勾配が生じ、高い熱応力が発生する。実用炉では、経済性の観点から小型で簡素な原子炉容器の設計が望まれており、その実現には相対的に増大する方向にある液面近傍部の熱応力を許容する、精度の高い設計評価法が必要である。そこで本研究では、原子炉容器液面近傍部に生じる熱応力に対する影響因子と、それぞれの因子が応力分布に与える影響感度を把握し、設計及び評価手法のポイントを見出すことを目的としている。本研究により得られた主な結果は以下のとおりである。1)原子炉容器液面近傍部における一次+二次応力強さ範囲Snはガス空間の熱的境界条件に対して敏感であり、カバーガスと炉壁との熱伝達を断熱材等により調節することで現象させることができる。2)起動時のナトリウム液面の移動に伴い、炉壁内外面に発生する熱応力の正負(引張、圧縮)が逆転する部位が生じ、Sn値に大幅な増加が生じることがわかった。3)板厚を実証炉50mmから実用炉30mmに変更することによりSn値は15%減少することがわかった。 本研究により得られた結果は、原子炉容器の設計の改善を図る上で、効果的に利用できるものと考えられる。

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