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報告書

平成25年度・26年度原子力科学研究所年報

原子力科学研究所

JAEA-Review 2018-036, 216 Pages, 2019/03

JAEA-Review-2018-036.pdf:19.22MB

原子力科学研究所(原科研)は、保安管理部, 放射線管理部, 工務技術部, 研究炉加速器管理部, 福島技術開発試験部, バックエンド技術部の6部、原科研福島技術開発特別グループ(平成25年度)及び計画管理室で構成され、各部署は、中期計画の達成に向け、施設管理, 技術開発などを行っている。本報告書は、今後の研究開発や事業推進に資するため、平成25年度及び平成26年度の原科研の活動、並びに原科研を拠点とする安全研究センター, 先端基礎研究センター, 原子力基礎工学研究センター(平成25年度: 原子力基礎工学研究部門), 量子ビーム応用研究センター(平成25年度: 量子ビーム応用研究部門), 原子力人材育成センターなどが原科研の諸施設を利用して実施した、研究開発及び原子力人材育成活動の実績を記録したものである。

論文

Behaviors of high-burnup LWR fuels with improved materials under design-basis accident conditions

天谷 政樹; 宇田川 豊; 成川 隆文; 三原 武; 谷口 良徳

Proceedings of Annual Topical Meeting on Reactor Fuel Performance (TopFuel 2018) (Internet), 10 Pages, 2018/10

Fuels for light water reactors (LWRs) which consist of improved cladding materials and pellets have been developed by utilities and fuel vendors to acquire better fuel performance even in the high burnup region and also raise the safety level of current nuclear power plants to a higher one. In order to evaluate adequacy of the present regulatory criteria in Japan and safety margins regarding the fuel with improved materials, Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has conducted ALPS-II program sponsored by Nuclear Regulation Authority (NRA), Japan. In this program, the tests simulating a reactivity-initiated accident (RIA) and a loss-of-coolant accident (LOCA) have been performed on the high burnup advanced fuels irradiated in commercial PWR or BWR in Europe. This paper presents recent results obtained in this program with respect to RIA, and main results of LOCA experiments, which have been obtained in the ALPS-II program, are summarized.

論文

Behavior of fuel with zirconium alloy cladding in reactivity-initiated accident and loss-of-coolant accident

更田 豊志*; 永瀬 文久

Zirconium in the Nuclear Industry; 18th International Symposium (ASTM STP 1597), p.52 - 92, 2018/01

事故時の燃料ふるまいに関する理解を進めることを目的に、20年以上にわたり広範な研究計画を実施してきた。本研究計画では、NSRRにおけるパルス照射実験、被覆管機械試験、RANNSコードの開発と検証といったRIA研究、熱衝撃試験、酸化速度評価試験、被覆管機械試験といったLOCA研究、FEMAXI-6コードの開発や検証等を行い、国内外の規制基準に対する直接的、間接的に技術的な基盤となる知見やデータを提供した。本論文は、主な成果をとりまとめ、また今後の研究ニーズを示すものであり、ASTMのKroll賞受賞記念論文である。

論文

Behavior of high-burnup advanced LWR fuels under design-basis accident conditions

天谷 政樹; 宇田川 豊; 成川 隆文; 三原 武; 谷口 良徳

Proceedings of 2017 Water Reactor Fuel Performance Meeting (WRFPM 2017) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2017/09

JAEA has conducted a research program called ALPS-II program for advanced fuels of LWRs. In this program, the tests simulating a RIA and a LOCA have been performed on the high burnup advanced fuels irradiated in European commercial reactors. The failure limits of the high-burnup advanced fuels under RIA conditions have been obtained by the pulse irradiation tests at the NSRR in JAEA. The information about pellet fragmentation etc. during the pulse irradiations was also obtained from post-test examinations on the test rods after the pulse irradiation tests. As for the simulated LOCA test, integral thermal shock tests and high-temperature oxidation tests have been performed at the RFEF in JAEA. The fracture limits under LOCA and post-LOCA conditions etc. of the high-burnup advanced fuel cladding have been investigated, and it was found that in terms of these materials the fracture boundaries do not decrease and the oxidation does not significantly accelerate in the burnup level examined.

論文

Behavior of high-burnup advanced LWR fuels under accident conditions

天谷 政樹; 宇田川 豊; 成川 隆文; 三原 武; 谷口 良徳

Proceedings of Annual Topical Meeting on LWR Fuels with Enhanced Safety and Performance (TopFuel 2016) (USB Flash Drive), p.53 - 62, 2016/09

軽水炉用改良型燃料について、現行の安全基準の妥当性及び安全余裕を評価するため、また今後の規制のためのデータベースを提供するため、原子力機構ではALPS-IIと呼ばれる原子力規制庁からの委託事業を開始した。この事業は、商用PWR及びBWRで照射された高燃焼度改良型燃料を対象として、主として反応度投入事故及び冷却材喪失事故を模擬した試験から構成されている。最近、高燃焼度改良型燃料のRIA時破損限界がNSRRにて調べられ、パルス照射試験後の燃料を対象とした照射後試験が行われている。LCOA模擬試験に関しては、インテグラル熱衝撃試験及び高温酸化試験が燃料試験施設で行われ、高燃焼度改良型燃料被覆管の破断限界、高温酸化速度等が調べられた。本論文では、この事業で取得された最近のRIA及びLOCA模擬試験結果について主に述べる。

論文

Recent research activities using NSRR on safety related issues

宇田川 豊; 杉山 智之*; 天谷 政樹

Proceedings of 2016 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2016) (CD-ROM), p.1183 - 1189, 2016/04

JAEA launched ALPS-II program in 2010 in order to obtain regulatory data for advanced fuels. Five new reactivity-initiated accident (RIA) simulated tests on the advanced fuels have been performed. The first two fuels tested, VA-5 and VA-6, were 17$$times$$17-PWR-type with stress-relieved and recrystallized M-MDA cladding tube, and irradiated to ~80 GWd/tU. The cladding failed due to the pellet-cladding mechanical interaction. Fission gas dynamics tests to promote a better understanding of the behavior of fission gas during an RIA are planned. A recent qualification test on a prototype pressure sensor demonstrated its ability to obtain history data of transient fission gas release. JAEA also launched a new experiment program using NSRR to investigate fuel degradation behaviors in the temperature region beyond-DBA LOCAs.

報告書

平成26年度研究開発・評価報告書; 評価課題「安全研究とその成果の活用による原子力安全規制行政に対する技術的支援」(事後評価・事前評価)

工藤 保; 鬼沢 邦雄*; 中村 武彦

JAEA-Evaluation 2015-011, 209 Pages, 2015/11

JAEA-Evaluation-2015-011.pdf:10.36MB

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)は、「国の研究開発評価に関する大綱的指針」(平成20年10月31日内閣総理大臣決定)及びこの大綱的指針を受けて作成された「文部科学省における研究及び開発に関する評価指針」(平成21年2月17日文部科学大臣決定)、並びに原子力機構の「研究開発課題評価実施規程」(平成17年10月1日制定、平成21年8月19日改訂)等に基づき、平成26年9月29日に「安全研究」に関する事後・事前評価を安全研究・評価委員会に諮問した。これを受けて、安全研究・評価委員会は、本委員会によって定められた評価方法に従い、原子力機構から提出された平成22年4月から平成26年9月まで及び平成27年度以降の安全研究センターの運営及び安全研究の実施に関する説明を受け、今期中期計画期間及び次期中長期計画期間の研究開発の実施状況について、研究開発の必要性、有効性、効率性等の観点から評価を行った。本報告書は、安全研究・評価委員会から提出された事後・事前評価結果(答申書)をまとめるとともに、本委員会での発表資料、及び評価結果に対する原子力機構の措置を添付したものである。

論文

Behavior of high burnup advanced fuels for LWR during design-basis accidents

天谷 政樹; 宇田川 豊; 成川 隆文; 三原 武; 杉山 智之

Proceedings of Annual Topical Meeting on Reactor Fuel Performance (TopFuel 2015), Part.2 (Internet), p.10 - 18, 2015/09

高燃焼度領域での燃料性能を向上させるとともに既設の原子炉の安全性を向上させるため、高耐食性被覆管や核分裂生成ガス放出を抑えたペレットで構成された改良型燃料が事業者や燃料メーカによって開発されてきた。このような改良型燃料の現行の規制基準や安全裕度の妥当性を評価するため、またこれらに係る将来の規制のためのデータベースを提供するため、原子力機構はALPS-IIと呼ばれる新しい研究プロクラムを開始した。このプログラムは、欧州から輸送された高燃焼度改良型燃料を対象とした反応度事故(RIA)模擬試験及び冷却材喪失事故(LOCA)模擬試験から主に構成されている。本論文では、このプログラムの概要及び現在までに得られているRIA及びLOCA模擬試験結果について述べる。

報告書

軽水炉燃料の事故時挙動解析コードRANNSの反応度事故解析モデル開発

宇田川 豊; 鈴木 元衛; 天谷 政樹

JAEA-Data/Code 2014-025, 27 Pages, 2015/02

JAEA-Data-Code-2014-025.pdf:2.53MB

軽水炉燃料の事故時挙動解析コードRANNSの開発が進められている。RANNSは、同じく軽水炉燃料の通常運転時及び過渡条件下の挙動解析を目的として開発・整備が進められているFEMAXI-7(2014年現在)の事故解析向けバージョンであり、特に反応度事故(RIA)条件下の熱的及び力学的挙動の解析をその主たる目的としている。本報告は、原子炉安全性研究炉(NSRR)におけるRIA模擬実験データのRANNSによる解析を通じて近年行われた、高燃焼度燃料のRIA時挙動で特に重要なペレット-被覆管機械的相互作用(PCMI)に関する解析精度向上を目的としたRIA解析モデルの開発・検証について整理したものである。具体的には、燃料の力学的な挙動に関しては、ペレットリロケーションモデル、ペレット降伏応力モデル、ペレット-被覆管の力学的なボンディングモデル、及び被覆管の破損限界評価モデル等について、また熱的な挙動に関しては、被覆管表面で生じる核沸騰離脱及びそれに続く遷移沸騰、膜沸騰時の実効的な被覆管-冷却材間熱伝達モデルについて整理した。

論文

Experimental analysis with RANNS code on boiling heat transfer from fuel rod surface to coolant water under reactivity-initiated accident conditions

宇田川 豊; 杉山 智之; 鈴木 元衛; 天谷 政樹

IAEA-TECDOC-CD-1775; Proceedings of Modelling of Water Cooled Fuel Including Design Basis and Severe Accidents (CD-ROM), p.200 - 219, 2015/00

In order to promote a better understanding of the temperature evolution of fuel rod under reactivity initiated accident (RIA) conditions, we have investigated the effects of coolant subcooling, flow velocity, pressure, and cladding pre-irradiation on the heat transfer from fuel rod surface to coolant water during RIA boiling transient, based on a computational analysis with the RANNS code on the transient data from RIA-simulating experiments in the NSRR. The analysis showed that the film boiling heat transfer coefficients during RIA boiling transient increase with coolant subcooling, flow velocity, and pressure as predicted by the model for stable film boiling. The estimated boiling heat transfer coefficients were significantly larger than those predicted by semi-empirical correlations for stable film boiling. The analysis also suggested that the heat transfers during both transition and film boiling phases are strongly enhanced by pre-irradiation of the cladding.

論文

Reevaluation of fuel enthalpy in NSRR test for high burnup fuels

宇田川 豊; 杉山 智之; 天谷 政樹

Proceedings of 2014 Water Reactor Fuel Performance Meeting/ Top Fuel / LWR Fuel Performance Meeting (WRFPM 2014) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2014/10

Previously, the fuel enthalpy in high burnup fuel tests at the NSRR had been evaluated by the procedure based on the short-life fission product measurement. But a part of the results showed significant scattering even within the similar tests with similar fuels, which should have showed similar fuel enthalpies. Hence, an alternative procedure, which is based on the evaluation of total amount of fissile materials evaluated by mass analysis, was developed. This procedure does not require quickness and is repeatable, so it is applicable even many years later if the fuel sample is available. The recent procedure was thus applied to the tests before 2003, whose burnups are below 60 GWd/tU. It was shown that the fuel enthalpy had been significantly underestimated in the tests with high burnup PWR fuels: the test series HBO and TK.

報告書

Heat transfer from fuel rod surface under reactivity-initiated accident conditions; NSRR experiments under varied cooling conditions

宇田川 豊; 杉山 智之; 天谷 政樹

JAEA-Data/Code 2013-021, 43 Pages, 2014/02

JAEA-Data-Code-2013-021.pdf:2.74MB
JAEA-Data-Code-2013-021-appendix(CD-ROM).zip:126.49MB

軽水炉の反応度事故において、燃料ペレット温度の上昇に伴って生じる被覆管温度の上昇は、燃料の変形及び破損挙動を決定づける因子の一つとなる。冷却水の沸騰を伴う被覆管表面の伝熱挙動は、冷却水の圧力、サブクール度、流速等の影響を受けることから、これらのパラメータが反応度事故条件下の被覆管表面伝熱挙動に及ぼす影響を調べるため、大気圧から約16MPaの圧力、約10から80Kのサブクール度、静止水から約3m/sまでの流動水等、広範な冷却水条件にわたる反応度事故模擬実験が、原子炉安全性研究炉(NSRR)において実施された。また室温大気圧条件については、試験炉で予備照射された燃料についてもNSRR実験が行われ、データが取得されている。本報告は、反応度事故条件下における被覆管の伝熱挙動に関するデータ及び知見の取得を目的として行われたNSRR実験のうち、有効な被覆管温度データの取得に成功した実験ケースについて、これまでに公開されていないケースを含め体系的にとりまとめ、冷却水の圧力,サブクール,流速,予備照射の有無等諸パラメータの効果について整理したものである。

論文

Simulation of the fracture behavior of zircaloy-4 cladding under reactivity-initiated accident conditions with a damage mechanics model combined with fuel performance codes FEMAXI-7 and RANNS

宇田川 豊; 三原 武; 杉山 智之; 鈴木 元衛; 天谷 政樹

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(2), p.208 - 219, 2014/02

AA2013-0436.pdf:3.87MB

 被引用回数:5 パーセンタイル:43.1(Nuclear Science & Technology)

In order to investigate the detailed processes of pellet cladding mechanical interaction (PCMI) failure, a continuum damage mechanics model using FEM calculations was proposed to be applied to analyses of the RIA-simulated NSRR tests with unirradiated and pre-hydrided claddings. The simulation made reasonable prediction regarding with cladding fracture strain in hoop direction and reproduced the typical fracture behaviour under PCMI loading characterized by a ductile shear zone. The effect of a local temperature rise in the cladding inner region on the failure strain was found to be less than 5%. Failure strains predicted under a plane strain loading were smaller by 20-30% than those predicted under equi-biaxial tensions between the hoop and the axial directions.

論文

Stress biaxiality in high-burnup PWR fuel cladding under reactivity-initiated accident conditions

宇田川 豊; 杉山 智之; 鈴木 元衛; 永瀬 文久

Journal of Nuclear Science and Technology, 50(6), p.645 - 653, 2013/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:72.96(Nuclear Science & Technology)

In order to promote a better understanding of failure mechanisms of high-burnup PWR fuels under reactivity-initiated accident (RIA) conditions, stress biaxiality in cladding has been estimated for the pellet-cladding mechanical interaction (PCMI) phase. The estimation was based on an analysis of the transient elongations of a pellet stack and a cladding tube measured in RIA-simulating experiments in the nuclear safety research reactor (NSRR) using the RANNS code. Stress biaxiality in the high-burnup PWR fuel cladding during the PCMI phase has been estimated to be 0.7-0.8 on average at the mid wall of the cladding. A comparison to fresh fuel test results and a sensitivity analysis showed that the effects of burnup and pulse width on cladding stress biaxiality are less than 10% for the investigated range. The present analysis also indicated that pellet-cladding friction is strong and that the cladding constraint on pellet stack elongation is significant irrespective of burnup.

論文

Transient response of LWR fuels (RIA)

更田 豊志

Comprehensive Nuclear Materials, 2, p.579 - 593, 2012/02

Comprehensive Nuclear Materials will provide broad ranging, validated summaries of all of the major topics in the field of nuclear material research for fission as well as fusion reactor systems. The four volume work will consist of an extensive collection of comprehensive review articles written by a team of leading experts. Attention will be given to the fundamental scientific aspects of nuclear materials: fuel and structural materials for fission reactors, waste materials, and materials for fusion reactors. The chapter aims to provide a general outline of fuel behavior during a reactivity-initiated accident (RIA) postulated in light water reactors (LWRs) and to show experimental data providing technical basis with the current RIA-related regulatory criteria in Japan.

論文

Influence of coolant temperature and power pulse width on fuel failure limit under reactivity-initiated accident conditions

杉山 智之; 宇田川 豊; 鈴木 元衛; 永瀬 文久

Proceedings of 2011 Water Reactor Fuel Performance Meeting (WRFPM 2011) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/09

原子力機構は、反応度事故時の軽水炉燃料の挙動を明らかにするため、NSRRを用いたパルス照射試験を実施している。NSRR実験はRIA時のペレット被覆管機械的相互作用(PCMI)で生じる破損について燃焼度77GWd/tまでの燃料についてデータを提供してきた。特にPCMI破損限界は原子炉の安全審査において必要となる重要な情報である。しかし、NSRR実験では冷却材温度や出力パルス幅といった条件において実機で想定されるRIAとは異なる。したがって、NSRR実験データに基づいて実機条件下の破損限界を評価するためには、それらの条件の違いが破損限界に及ぼす影響を定量的に評価する必要がある。本論文では、一組の室温・高温実験で得られた実験データを示すとともに、このデータに基づいて行った冷却材温度と出力パルス幅の影響評価の方法について議論する。

報告書

Failure mechanism of Nb$$_{2}$$O$$_{5}$$ doped PWR fuels under power transient

柳澤 和章

JAEA-Review 2010-054, 109 Pages, 2010/11

JAEA-Review-2010-054.pdf:36.09MB

(1)ニオブ(Nb$$_{2}$$O$$_{5}$$)添加の非加圧PWR燃料は安全審査で使われる破損しきい値の260cal/g以下では破損しなかった。(2)燃料破損はニオブ添加の有無とは無関係に被覆管の溶融脆化メカニズムで起こった。(3)炉内過渡ふるまいとして、供試燃料は大きな軸方向PCMI(最大18%)を示したが、その径方向PCMIは相対的に小さかった。(4)発熱量276cal/gを超えた領域、すなわち、被覆表面最高温度が1467$$^{circ}$$Cを超えた領域で、ニオブ添加PWR燃料はボンディング、径方向微細割れ、金属凝集物、金属介在物の生成といった組織変化を起こした。

論文

FGD Program; SCANAIR preparatory calculations

Tr$'e$gour$'e$s, N.*; 杉山 智之

DPAM-SEMCA-2010-288, 73 Pages, 2010/11

原子力機構とフランス放射線防護・原子力安全研究所(IRSN)では、反応度事故時のペレットからの気体核分裂生成物(FPガス)放出に関する動的挙動解明を目的とした試験を共同で計画している。このFGD(Fission Gas Dynamics)試験では、試験容器に高燃焼度燃料を収めてNSRRでパルス照射を行い、容器内圧力・温度の上昇を高い時間分解能で計測することでFPガス放出履歴を評価する。試験容器の設計及び試験条件の妥当性を確認するため、過去に通常のNSRR実験でデータを取得した高燃焼度UO$$_2$$及びMOX燃料を対象とした予備解析を燃料過渡挙動解析コードSCANAIRにより実施した。その結果、本試験のために開発したLVDT式圧力計が十分な応答速度を備えていること、試験容器外側の断熱層を省略しても試験容器の熱容量が大きいためパルス照射直後の燃料温度履歴は大きく変わらないこと等、試験容器の設計に有益な知見を得た。

論文

Behavior of coated fuel particle of High-Temperature Gas-cooled Reactor under reactivity-initiated accident conditions

梅田 幹; 杉山 智之; 永瀬 文久; 更田 豊志; 植田 祥平; 沢 和弘

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(11), p.991 - 997, 2010/11

In order to clarify the failure mechanism and determine the failure limit of the High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) fuel under reactivity-initiated accident (RIA) conditions, pulse irradiations were performed with unirradiated coated fuel particles at the Nuclear Safety Research Reactor (NSRR). The energy deposition ranged from 580 to 1,870 J/gUO$$_{2}$$ in the pulse irradiations and the estimated peak temperature at the center of the fuel particle ranged from about 1,510 to 3,950 K. Detailed examinations after the pulse irradiations showed that the coated fuel particles failed above about 1,400 J/gUO$$_{2}$$ where the peak fuel temperature reached over the melting point of UO$$_{2}$$ fuel. It was also shown that the coated fuel particle was failed by the mechanical interaction between the melted and swelled fuel kernel and the coating layer under RIA conditions.

論文

Behavior of high burnup LWR fuels during design-basis accidents; Key observations and an outline of the coming program

更田 豊志; 永瀬 文久; 杉山 智之; 天谷 政樹

Proceedings of 2010 LWR Fuel Performance Meeting/TopFuel/WRFPM (CD-ROM), p.244 - 253, 2010/09

日本原子力研究開発機構安全研究センターが原子力安全・保安院から受託している事業について、第1期計画及び第2期計画の概要を示す。さらに、反応度事故時の燃料挙動、冷却材喪失事故時の燃料挙動のそれぞれについて研究の現状に対する認識、今後の課題、規制上の改善点などについて論じる。

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