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報告書

局所閉塞37本ピンバンドルナトリウム試験-定常温度分布測定試験-

田中 正暁; 上出 英樹; 小林 順; 宮越 博幸

JNC-TN9400 2001-062, 145 Pages, 2001/02

JNC-TN9400-2001-062.pdf:4.67MB

局所事故の起因事象の一つとして想定されている燃料集合体内局所閉塞事象について実験研究を行った。ワイヤスペーサ型の燃料集合体の発熱部に生じる閉塞形態として、粒子状の異物が集積して流れ方向に厚みを持つポーラス状閉塞物となることが想定されている。大型炉と同等のピン径およびピンピッチを有するワイヤスペーサ型の37本ピンバンドル体系で、集合体の一辺に沿って周辺2列の14サブチャンネルにポーラス状閉塞物を組み込んだ試験体を用い、物理現象の把握と解析手法開発のための検証データを得ることを目的としたナトリウム試験を実施した。流量を実機定格条件の107.5% から10% 、ヒータ出力を実機最大線出力の最大60% まで変化させて試験を実施した。閉塞物内部のサブチャンネル中心温度およびピン表面温度は流れ方向に急激に上昇し、周囲の3サブチャンネルが全て閉塞しているサブチャンネルに接するピン表面の閉塞物上端部において最高温度が観測された。閉塞物内部の温度分布には、特に鉛直方向の流れが大きな影響を与えていること、ワイヤスペーサによるスワールフローの影響は小さいことが明らかとなった。また、高出力・流量条件(流量30%以上)と低出力・流量条件(流量15[% 以下)では閉塞物内部の温度分布の傾向が異なり、高出力・流量条件においては周辺よりも内側サブチャンネルの方が温度は高く水平断面内で分布が生じるが、低出力・流量条件では閉塞物内部の水平断面内でほぼ一様な温度分布となることが明らかとなった。本試験体系(37本ピンバンドル体系、周辺2列閉塞)において、閉塞物下流に生じる後流域は、閉塞物上端からワイヤ巻きピッチ(L=200mm)の1/6の高さで消滅し、鉛直方向流れが支配的な領域となることが分かった。実験結果を外挿して、実機条件下でのピン表面最高温度を評価した。実機で想定される閉塞よりも保守的な閉塞条件として、連続したサブチャンネルを直径0.3[mm の粒子で均一に充填した場合であっても最高温度は670$$^{circ}C$$ 程度と推定される。試験条件の設定および温度計測に伴う不確かさ等を考慮しても700$$^{circ}C$$ 以下であることが分かった。

報告書

ポーラス状閉塞内熱流動に対する解析手法の開発-4サブチャンネル水流動試験による検証-

田中 正暁; 川島 滋代*; 上出 英樹

JNC-TN9400 2001-049, 113 Pages, 2001/02

JNC-TN9400-2001-049.pdf:3.82MB

稠密な燃料要素を有する高速炉の安全評価上の事象として、燃料集合体内に異物が混入し、冷却が阻害されることを想定する冷却材流路閉塞事象がある。既往の研究からワイヤスペーサ型燃料集合体では、燃料ピン間のサブチャンネルに流れ方向に厚みのあるポーラス状閉塞が生じることが指摘されている。このようなポーラス状閉塞物内部では急峻な温度分布が生じることを水流動試験により明らかにしてきた。しかし、熱電対による温度測定を主体とする実験結果から閉塞物内部の熱流動場を解明することは困難であり、解析的検討と合わせて評価することが局所閉塞事象の評価手法を構築する上で重要である。そこで、多次元解析コードCASCADEを用い、標準型k-$$epsilon$$2方程式乱流モデルとハンドブック・ベースの相関式を採用した解析手法を構築し、閉塞物のモデル化手法の高度化を目的として4サブチャンネル水流動試験を対象とした検証解析を実施した。その結果、閉塞物のモデル化においては、閉塞物内部の空隙率分布や閉塞物とピン表面との接触状態、つまり、ピン表面近傍の空隙率、流動抵抗の評価、伝熱相関式の評価が重要であることを明らかにした。本解析手法は、閉塞物中心部の温度分布については保守側の評価となるが、閉塞物内部の流況および温度分布の空間特性を把握し、最高温度を示すピン表面温度を定量的に評価することができる評価手法として有効であることを明らかにした。

報告書

レーザブレークダウン分光法によるナトリウムエアロゾル検出感度評価試験(II)

林田 均; 荒 邦章

JNC-TN9400 2001-045, 54 Pages, 2000/12

JNC-TN9400-2001-045.pdf:2.74MB

レーザ誘起ブレークダウン分光法によるレーザNa漏洩検出システム(Laser Sodium LeakDetector:以降LLDと略す。)は、レーザ光によりナトリウムエアロゾルをプラズマ化し、それにより発生する蛍光中からナトリウム特有の光スペクトルを検出するもので、ナトリウムを選択的に検出するために、ナトリウム微少漏洩を早期に信頼性高く検出できる可能性がある。本報告は、昨年度のLLD検出感度評価試験に引き続いて実施した検出感度評価試験(II)の結果についてまとめた。その結果、以下のような知見を得た。1)LLD信号は、炭酸ガス濃度の影響を受けないことが確認された。2)本試験において、雰囲気温度(サンプリングガス)温度の上昇に伴い、ナトリウム検出感度が低下する傾向が見られた。但し、雰囲気温度上昇によりブレークダウンが起こりにくくなっており、本LLD固有の特性とも考えられるので、今後更に試験評価が必要である。3)ナトリウム燃焼に伴い発生したエアロゾルに対しても、昨年度試験に用いたナトリウム蒸気を基に生成したエアロゾルと同様に、LLDは即応性を示した。本試験及び昨年度試験により、LLDの基本的な微少ナトリウムエアロゾル検出特性を明らかにできた。

報告書

サーマルストライピング現象における流体内混合に関する研究 - 壁面近傍での混合現象の変化 -

木村 暢之; 長澤 一嘉*; 五十嵐 実; 上出 英樹

JNC-TN9400 2001-030, 87 Pages, 2000/12

JNC-TN9400-2001-030.pdf:5.72MB

高速炉において、温度の異なる流体が混合することにより発生する温度変動が、構造材に伝達することによって、構造材に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量的に評価することは重要である。サーマルストライピング現象を評価する上で、流体の混合による温度変動発生挙動、発生した温度変動の構造材近傍での減衰挙動、流体から構造への温度変動の伝達挙動を明らかにし、温度変動の減衰を取り入れることで、より柔軟で合理的な設計が可能となる。本研究では、流体中で発生した温度変動特性の構造材近傍での変化を評価することを目的として、壁に沿う3本鉛直噴流水試験を実施した。低温噴流とその両側から高温噴流を平行スリットから壁面に沿って吐出させ、噴流間の流体混合の壁面近傍での変化を移動式熱電対および粒子画像流速測定法(PIV)を用いて計測した。実験パラメータは噴流の吐出速度とした。その結果、左右の高温噴流は中心の低温噴流側に傾いて流れていることがわかった。さらに、低温噴流の吐出速度が高温噴流より小さい場合(非等速条件)、低温噴流が片方の高温噴流側に傾いて流れていた。噴流の傾きは、壁面に近づくにつれて大きくなり、それに伴い、噴流間の流体混合が発生する領域が上流側にシフトした。また、3本の噴流の吐出速度が同じ場合(等速条件)、壁面に近づくにつれて温度変動強度が低下するが、非等速条件では壁面近傍での温度変動の減衰効果はみられなかった。温度変動のスペクトル密度に関して、等速条件の場合、壁から離れた位置でみられた卓越周波数成分が壁面に近づくにつれて小さくなり、低周波数成分の割合が増加した。一方、非等速条件の湯合、温度変動の周波数に卓越成分はなく、壁面からの距離による温度変動のスペクトル密度の依存性はみられなかった。PIVにより得られた流速から求めた乱流二次モーメントは、等速条件の場合に比べ、非等速条件では、水平方向および鉛直方向のノーマル成分の値が小さくなっていることが明らかとなった。また、等速・非等速条件に関わらず、壁面に近づくにつれて、乱流の非等方性が強くなることがわかった。

報告書

配管合流部の混合現象に関する研究 -可視化試験結果と予測解析-

五十嵐 実; 田中 正暁; 林 謙二; 飛田 昭; 上出 英樹

JNC-TN9400 2001-024, 81 Pages, 2000/11

JNC-TN9400-2001-024.pdf:5.82MB

温度の異なる流体が混合することによって発生する温度変動により、構造材内部に熱疲労が発生する現象(サーマルストライピング現象)を評価することは重要な課題である。核燃料サイクル開発機構では、設計に適用できる評価ルールを構築するために実験及び解析ツールの整備を実施している。T字管体系の配管合流部におけるサーマルストライピング現象に関しては、合流部での混合現象及び実機プラントで観測されている長周期温度変動の原因を解明するために、長周期温度変動水流動試験(WATLON:Water Experiment of Fluid Mixing in T-pipe with Long Cycle Fluctuation)を実施している。本研究では、染料注入法による可視化試験を実施し、配管合流部での温度変動に影響を及ぼす枝管噴流の挙動を調べた。試験は主配管/枝配管の流速及び温度をパラメータとして実施し、流入条件の違いによる噴流形態の変化を観測した。その結果、流入条件の違いにより噴流形態を(1)衝突噴流(2)偏向噴流(3)再付着噴流(4)壁面噴流に分類できることがわかった。また、各噴流形態は各配管流体の運動量比により整理できることを明らかにした。T字管内の混合現象に対する解析手法の適用性を把握するために、多次元熱流動解析コードによる解析を実施した。乱流モデルにk-$$epsilon$$モデルを用いた定常解析により、噴流形態の予測が可能であるかを検討した。その結果、k-$$epsilon$$モデルを用いた解析で定性的に可視化試験における噴流挙動が模擬できていることから、本解析手法により噴流形態の予測が可能であることがわかった。

報告書

高速炉の自然循環時炉心部熱流動現象に関する評価手法 - インターラッパーフロー現象を含む実規模炉心体系での予測解析 -

上出 英樹; 長沢 一嘉*; 木村 暢之; 宮越 博幸

JNC-TN9400 2001-017, 86 Pages, 2000/09

JNC-TN9400-2001-017.pdf:2.66MB

高速炉において自然循環による崩壊熱除去はその安全性を確保する上で重要な機能である。自然循環時には炉心通過流量が原子炉容器を含む冷却系統内の温度分布により決定され、流量と温度分布は互いに影響し合うことから複雑な現象を呈する場合がある。このような自然循環時の炉心を含む炉容器内熱流動現象を解析し評価する手法として多次元熱流動解析コードAQUAを用いた解析手法を構築した。本解析手法は全ての集合体を矩形にモデル化し、集合体間ギャップ部並びに上部プレナム、高圧プレナムを一つの解析領域の中でモデル化するものである。これにより上部プレナムから集合体間ギャップ部への流れ(インターラッパーフロー)と各集合体との熱的相互作用、負の浮力により低温のナトリウムが集合体内へ潜り込む現象、集合体間の熱移行ならびに炉心部の流量再配分を直接考慮することができる。本解析手法を7本集合体からなる模擬炉心を有するナトリウム試験データ、1/12セクター炉心でインターラッパーフローの炉心部径方向流れ場を模擬した水試験データにより検証した。さらに本手法を用いて、崩壊熱除去用の冷却器が炉容器内に浸漬された60万kWe級の大型炉を対象に実機解析を行い、自然循環時の炉心部熱流動現象を評価した。インターラッパーフローが集合体間パッドの形状に大きく依存すること、それが炉心部最高温度に大きな影響を与えることを明らかにした。崩壊熱量が定格出力の1.7%、ループ流量が定格流量の1%とした条件で、縦のスリットを有するパッドを用いた場合、パッド部が完全に閉塞している場合に比べて炉心部最高温度は60$$^{circ}C$$程度低くなった。また、自然循環時の炉心部温度はインターラッパーフロー以外に集合体間熱移行、流量再配分、集合体内潜り込み現象が相互に影響しあい決定されていることを示すとともに炉心部熱流動現象の評価において留意すべき点をまとめた。

報告書

サーマルストライピング現象における流体内混合に関する研究 - DNSを用いた噴流間の流体混合現象の解明 -

木村 暢之; 五十嵐 実; 上出 英樹

JNC-TN9400 2000-108, 173 Pages, 2000/09

JNC-TN9400-2000-108.pdf:9.1MB

高温と低温の流体が混合することにより発生する温度変動により、構造物に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量的に評価することは重要な課題である。本研究では、低温噴流の両側に高温噴流を配置した平行三噴流水試験に対して、直接シミュレーション(DNS)による多次元熱流動解析を実施し、模擬性を評価するとともに、DNSの結果から噴流間の流体混合現象のメカニズムの解明を行った。解析は、3本の噴流吐出速度を同一とし(等速条件)、吐出流速の異なる2ケースと中心の低温噴流の吐出速度が高温噴流より小さい非等速条件1ケースに関して実施した。DNSによる解析により、等速条件および非等速条件下での実験の時間平均温度、温度変動強度および温度変動の確率分布を再現できることが明らかとなった。また、等速条件の実験でみられた周期的な温度変動成分についても、DNSによる解析により再現できることが明らかとなった。DNSにより得られた詳細な速度場および温度場の情報より、等速条件下では、噴流間の流体混合の過程は噴流吐出速度に依存せず、噴流の振動に支配されていることがわかった。また、DNSの結果に対して、位相平均を用いることにより、噴流間の流体混合を促進している噴流振動の発生メカニズムを明らかにすることができた。

報告書

高温用超音波トランスデューサ水中特性試験

中山 王克; 林田 均

JNC-TN9400 2000-087, 74 Pages, 2000/07

JNC-TN9400-2000-087.pdf:3.25MB

液体金属ナトリウムの熱流動現象を定量的に把握するため、液体金属ナトリウム中の流速分布を超音波により計測する技術の開発を進めている。これまで、ナトリウム中試験を行って、その適用性を票Kするとともに課題を整理した。これを受けて、センサ特性や計測アルゴリズムの最適化を図ることを目的とした水中及びナトリウム中試験を計画しており、これらの試験に供試する高温用超音波トランスデューサを試作した。本報告は、試作した高温用超音波トランスデューサの単体特性の計測結果をまとめたものであり、試験により得られた主な知見は以下の通りである。(1)散乱超音波による流速分布計測手法において特性支配因子となる音圧分布特性を把握した。また、超音波トランスデューサによって生成される液中の音圧分布の予測式や近距離音場限界距離を計測データから導出した。(2)超音波トランスデューサの周波数帯域が、散乱波の周波数シフト計測を行うのに十分であることを確認した。また、距離方向計測範囲や散乱波の周波数シフト計測を行うのに必要な送受信回路の距離方向信号増幅仕様を導入した。(3)散乱波の周波数シフト計測システムの計測システムの計測精度評価を行う上で必要な超音波トランスデューサ単体に起因する空間分解能を推定した。

報告書

炉心槽内流速分布測定への超音波流速計の適用性評価 ‐ 粒子画像流速計測を含めた水試験への適用 ‐

木村 暢之; 田中 正暁; 林田 均; 小林 順; 上出 英樹; アキラ トーマス トクヒロ; 菱田 公一

JNC-TN9400 2000-057, 60 Pages, 2000/05

JNC-TN9400-2000-057.pdf:2.11MB

高速炉の実用化を目指した研究において、著しい進歩を遂げた数値解析手法を用いた熱流動現象の解明や設計が可能となってきている。熱流動に関する実験研究ではモックアップ試験装置による実証試験から要素を取り出した小規模試験による現象解明、解析手法の検証に重点が移りつつある。このような要求を満たす上で、実験データの質の向上が不可欠である。とくに流速場の測定においては速度の空間分布が時間経過とともに変化する過程を明らかにすることにより、これまで得られなかった情報を抽出し、現象の解明や解析手法の検証に大きく貢献できると考えられる。本報告では、流速の瞬時の空間分布が得られる手法として超音波を用いた流速分布測定法(UDV)と粒子画像流速測定法(PIV)の2つを取り上げた。これらを水流動試験に適用し、計測手法としての適用性を評価した。UDVでは配管体系、平板状噴流体系、さらに高速炉の熱流動現象の要素を取り出した燃料集合体間の隙間流れ(炉心槽内の流れ)に関する水試験に適用した。既存のレーザー流速計やPIVとの比較を行った結果、妥当な測定結果を与えることを確認するとともに、その課題をナトリウム体系への適用を含めて明らかにした。PIVでは炉心槽内の流れに適用し、その課題を明らかにした。炉心槽のような複雑形状流路へ適用する上では、トレーサー粒子以外の画像ノイズを除去する手法を開発することで測定精度の向上を図ることができた。

報告書

サーマルストライピング現象における流体内混合に関する研究 - 平行三噴流間混合過程の数値解析と手法間の比較 -

木村 暢之; 三宅 康洋*; 西村 元彦; 上出 英樹

JNC-TN9400 2000-099, 71 Pages, 2000/03

JNC-TN9400-2000-099.pdf:3.79MB

高温と低温の流体の混合により発生する温度変動が、構造材に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量化することは重要な課題である。本研究では、中心に低温噴流、両側に高温噴流を配置した平行三噴流水試験に対して、有限差分法に基づく多次元熱流動解析を実施し、模擬性を比較・評価した。多次元熱流動解析は、乱流挙動の取り扱いをパラメータとし、乱流モデルを使用したk-$$epsilon$$2方程式乱流モデル(k-$$epsilon$$Mode1)、低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデル(LRSFM)と、乱流モデルを使用しない直接シミュレーション(DNS)による3種類を実施した。実験では、流体の巻き込みを伴う周期的な噴流の振動($$sim$$2Hz)がみられ、この振動が流体混合に大きな寄与をしていることが明らかになっている。k-$$epsilon$$Modelでは、この噴流の振動は模擬できないが、LRSFMおよびDNSでは実験と同様な噴流の振動を再現できることが明らかとなった。位相平均を用いて、温度の時間変動を周期成分とランダム成分に分離して実験と比較すると、k-$$epsilon$$Modelではランダム成分を、LRSFMでは周期成分をそれぞれ過大評価していることがわかった。一方、DNSにより得られた温度変動の周期成分とランダム成分の割合は実験とほぼ一致していることがわかった。DNSにより噴流間の流体混合現象として、噴流の周期的振動とそれに伴う温度変動、これに重畳したランダムな変動成分ともによく再現できることが確認できた。乱流モデルを用いた解析では、LRSFMを用いることにより、構造への熱荷重に感度の高い低周波数の周期的な変動についてはよく再現できることがわかった。

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