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1
Development of safety requirements for HTGRs design
大橋 弘史; 佐藤 博之; 中川 繁昭; 徳原 一実; 西原 哲夫; 國富 一彦
Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.330 - 340, 2016/11
日本原子力学会「高温ガス炉の安全設計方針」研究専門委員会では、高温工学試験研究炉(HTTR)で得られた知見、福島第一原子力発電所事故の教訓、将来の水素製造施設の接続における安全上の機能要求などを考慮した、実用高温ガス炉の安全要件を検討している。本報告では、安全要件の検討プロセス、作成した安全要件案の概要などについて報告する。
2
The IAEA coordinated research project on modular HTGR safety design; Status and outlook
Reitsma, F.*; 國富 一彦; 大橋 弘史
Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.341 - 352, 2016/11
国際原子力機関(IAEA)では、2014年に開始した高温ガス炉の安全設計に関する協力研究計画(CRP)において、日本を始めとする各国がこれまでに蓄積した高温ガス炉に関する知見に基づき、軽水炉とは異なる高温ガス炉の安全上の特徴を考慮し、高温ガス炉の安全要件の検討を進めている。本講演では、本CRPの概要、高温ガス炉の安全上の特徴、既存の軽水炉安全要件の高温ガス炉への適用性、CRPで検討中の高温ガス炉安全要件案などについて報告する。
3
GTHTR300 cost reduction through design upgrade and cogeneration
Yan, X.; 佐藤 博之; 上地 優; 今井 良行; 寺田 敦彦; 橘 幸男; 國富 一彦
Nuclear Engineering and Design, 306, p.215 - 220, 2016/09
 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)
最新の技術知見に基づき改良を行いつつ、排熱を淡水化設備に供給した場合の高温ガス炉システムGTHTR300の経済性評価をおこなった。設計改良による5%の発電効率向上に加えて、多段フラッシュ淡水化設備により製造される水を売ることで得られる収入を考慮することで発電コストを1キロワット当たり2.7セントに低減できることを明らかにした。
4
高温ガス炉を用いた使用済み燃料の放射性潜在的有害度の低減に関する研究
深谷 裕司; 國富 一彦; 小川 益郎
日本原子力学会和文論文誌, 14(3), p.189 - 201, 2015/09
高温ガス炉を用いた使用済み燃料の放射性潜在的有害度の低減に関する研究を行った。分離変換とは異なり、有害度発生自体を減らすことができる炉心概念という観点からの研究である。有害度発生量を減らすためにはPu, Am, Cmの発生源である$$^{238}$$Uを排除する必要がある。そのため、$$^{238}$$Uに代わる新たな燃料母材を用いた高温ガス炉を提案した。その候補として、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)とトリウムを検討した。核燃料物質としては、濃縮度93%の高濃縮ウランを想定した。この高濃縮ウランを用いることによりその有害度を大幅に低減することができ、天然ウランレベルの有害度レベルまで減衰させるのに必要な冷却期間が800年程度に低減できる。燃料健全性および核拡散抵抗性もYSZによる希釈により保つことができ、核的自己制御性に関してもエルビウム添加により保持できる。熱エネルギー発生量に関しても通常のウラン燃料と同等の発生量が得られる。発電原価も通常のGTHTR300炉心と同等に安価である。本炉心概念では通常のウラン炉心の10万年程度の冷却期間を1%以下の800年程度に低減することができる。
5
Conceptual study of a plutonium burner high temperature gas-cooled reactor with high nuclear proliferation resistance
後藤 実; 出町 和之*; 植田 祥平; 中野 正明*; 本田 真樹*; 橘 幸男; 稲葉 良知; 相原 純; 深谷 裕司; 辻 延昌*; et al.
Proceedings of 21st International Conference & Exhibition; Nuclear Fuel Cycle for a Low-Carbon Future (GLOBAL 2015) (USB Flash Drive), p.507 - 513, 2015/09
高い核拡散抵抗性を有するプルトニウム燃焼高温ガス炉(クリーンバーン炉)の概念が日本原子力研究開発機構から提案されている。高い核拡散抵抗性に加え、更なる安全性向上を目的とし、ZrC被覆を施したPuO$$_{2}$$-YSZ TRISO燃料を導入したクリーンバーン炉の概念検討を行う。本研究では、ZrC被覆を施したPuO$$_{2}$$-YSZ TRISO燃料の製造に関する基盤技術を確立するために製造試験を行う。また、クリーンバーン炉の成立性を確認するためにセキュリティの定量評価、燃料と炉心の設計、及び原子炉の安全評価を行う。本研究は、東京大学,日本原子力研究開発機構,富士電機、及び原子燃料工業により、2014年度から2017年度まで行われる。本発表では、全体計画、及び2014年度に得られた成果について報告する。
6
Safety design consideration for HTGR coupling with hydrogen production plant
佐藤 博之; 大橋 弘史; 中川 繁昭; 橘 幸男; 國富 一彦
Progress in Nuclear Energy, 82, p.46 - 52, 2015/07
 被引用回数:1 パーセンタイル:67.15(Nuclear Science & Technology)
本報告では、熱化学法ISプロセスによる水素製造施設を高温ガス炉に接続する上での安全設計に対する考え方を具体化するとともに、安全設計方針及び適合のための設計方針、水素製造施設を非「原子炉施設」として扱うための条件とこれに応じた設計対応を示した。また、実用高温ガス炉水素製造システムGTHTR300Cを対象に、水素製造施設の非「原子炉施設」化のための設計対応及び安全設計方針適合のための設計方針が工学的に成立することを明らかにした。
7
Energy neutral phosphate fertilizer production using high temperature reactors; A Philippine case study
Haneklaus, N.*; Reyes, R.*; Lim, W. G.*; Tabora, E. U.*; Palattao, B. L.*; Petrache, C.*; Vargas, E. P.*; 國富 一彦; 大橋 弘史; 坂場 成昭; et al.
Philippine Journal of Science, 144(1), p.69 - 79, 2015/06
リン酸肥料製造工程においてリン酸からウランを抽出することができるため、このウランを燃料に用いた高温ガス炉から電気、水素、プロセスヒート等をリン酸肥料製造へ供給することによって、エネルギーニュートラルな肥料製造プロセスを構築できる可能性がある。本報告では、フィリピンにおける代表的なリン酸肥料製造プラントと原子力機構が設計した高温ガス炉(HTR50S and GTHTR300C)を組み合わせたシステムを例に、エネルギーニュートラルな肥料製造プロセスの可能性について検討した。
8
Thermal analysis of heated cylinder simulating nuclear reactor during loss of coolant accident
佐藤 博之; 大橋 弘史; 橘 幸男; 國富 一彦; 小川 益郎
Journal of Nuclear Science and Technology, 51(11-12), p.1317 - 1323, 2014/11
 被引用回数:3 パーセンタイル:43.78(Nuclear Science & Technology)
本報告では、冷却材喪失事故時の原子炉の崩壊熱除去特性について評価を行った。原子炉を模擬した円柱体系での非定常熱伝導解析により、崩壊熱除去の成立性の支配因子を決定するとともに、導出した支配因子をパラメータに非定常熱伝導計算を行い、燃料温度制限値を満足する設計範囲を導出した。計算結果から、冷却材喪失時に崩壊熱除去を可能な原子炉の設計範囲が、炉心平均出力密度に対応した原子炉の熱容量と熱伝導率の関係式で表されることを明らかにした。また、被覆燃料粒子の適用により、Zr被覆管燃料に対し、設計範囲が大幅に増大することが示された。さらに、高温ガス炉は冷却材喪失時に崩壊熱除去を可能な範囲に設計可能であることが見出された。
9
Validation and application of thermal hydraulic system code for analysis of helically coiled heat exchanger in high-temperature environment
佐藤 博之; 大橋 弘史; 中川 繁昭; 橘 幸男; 國富 一彦
Journal of Nuclear Science and Technology, 51(11-12), p.1324 - 1335, 2014/11
 被引用回数:1 パーセンタイル:76.33(Nuclear Science & Technology)
HTTR試験データを用いて高温環境で使用されるヘリカルコイル型熱交換器を対象にシステム解析コードの検証を行った。また、これまで得られている相関式を整理し、システム解析コードへの組み込みを行った。加えて、HTTR-IS水素製造システムの安全解析を行い、システム解析コードの適用性を評価した。試験結果と計算結果の比較から、既存の相関式群を用いた場合、伝熱管温度を低く評価することが示された。また、試験結果と計算結果の比較や安全解析結果から、新たに実装した相関式群を用いることで、安全解析に適用する上で十分な精度で熱交換器の構造材温度が評価できる見通しを得た。
10
Experiments and validation analyses of HTTR on loss of forced cooling under 30% reactor power
高松 邦吉; 栃尾 大輔; 中川 繁昭; 高田 昌二; Yan, X.; 沢 和弘; 坂場 成昭; 國富 一彦
Journal of Nuclear Science and Technology, 51(11-12), p.1427 - 1443, 2014/11
 被引用回数:6 パーセンタイル:32.87(Nuclear Science & Technology)
固有の安全性を持つ高温ガス炉である高温工学試験研究炉(HTTR)において、強制冷却喪失事象を模擬した安全性実証試験を実施した。本論文では、冷却材流量が定格の45t/hから0t/hまで低下し、制御棒が炉心に挿入されず、原子炉出力制御系が作動しない条件における、原子炉出力9MWからの強制冷却喪失(LOFC)時の解析結果を示す。解析より緊急炉心停止系が作動しなくても、炉心の負の反応度フィードバック特性により、原子炉出力がすぐに崩壊熱レベルまで低下し、炉心構造材の高い熱容量により炉内の温度分布がゆっくり変化することを明らかにした。以上により高温ガス炉固有の安全性を示すことができた。
11
Safety design approach for the development of safety requirements for design of commercial HTGR
大橋 弘史; 佐藤 博之; 中川 繁昭; 橘 幸男; 西原 哲夫; Yan, X.; 坂場 成昭; 國富 一彦
Proceedings of 7th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2014) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2014/10
実用高温ガス炉の安全要件の作成を目的として、日本原子力学会「高温ガス炉の安全設計方針」研究専門委員会が2013年に設立された。本安全要件では、他炉型とは異なる高温ガス炉の固有の安全特性を十分に考慮すると共に、高温工学試験研究炉(HTTR)で得られた知見、福島第一原子力発電所事故の教訓、将来の水素製造施設の接続における安全上の要求などを取り込む方針である。安全要件の作成にあたり、安全要件の基本思想となる安全設計アプローチについて検討を行った。本講演では、研究専門委員会における論点、安全設計アプローチの検討結果などについて報告する。
12
GTHTR300 cost reduction through design upgrade and cogeneration
Yan, X.; 佐藤 博之; 上地 優; 今井 良行; 寺田 敦彦; 橘 幸男; 國富 一彦
Proceedings of 7th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2014) (USB Flash Drive), 7 Pages, 2014/10
最新の技術的知見に基づき改良を行いつつ、排熱を淡水化設備に供給した場合の高温ガス炉システムGTHTR300の経済性評価を行った。設計改良による発電効率の5%向上に加えて、原子力機構が提案する多段フラッシュ淡水化設備により製造される水を売ることで得られる収入を考慮することで発電コストを1キロワット当たり2.7セントに低減できることを明らかにした。
13
高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの経済性評価
岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治; 稲垣 嘉之; 國富 一彦; 小川 益郎
JAEA-Review 2014-037, 14 Pages, 2014/09
高温ガス炉の熱エネルギーを用いることにより、水から水素を製造する熱化学法ISプロセスは、CO$$_{2}$$を排出することなく、安定かつ大量に水素を生産できうる、将来の最有力水素製造技術の一つとして、水素・燃料電池戦略ロードマップに記載されるなど、大きな期待が寄せられている。今後、実用化に向けた経済性評価が必要だが、将来の商用高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの経済性を精度よく評価することは現段階では困難である。そこで、既存の化石資源を用いた大型商用水素製造プラントの経済性評価データを基に、高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの経済性を評価した。本評価において、水素製造コストは25.4円/Nm$$^{3}$$であり、それに占める水素製造装置の構成要素の割合から、エネルギー源である高温ガス炉の建設コストの削減、稼働率の向上、水素製造熱効率の改善が水素製造コストの低下に大きく寄与することがわかった。この水素製造コストは燃料電池自動車(FCV)用水素燃料などに求められる水素製造コストを十分満足できることから、この値を高温ガス炉ISプロセス水素製造システムの水素製造コスト目標値として研究開発をすすめていく。
14
GTHTR300; A Nuclear power plant design with 50% generating efficiency
佐藤 博之; Yan, X.; 橘 幸男; 國富 一彦
Nuclear Engineering and Design, 275, p.190 - 196, 2014/08
 被引用回数:11 パーセンタイル:25.28(Nuclear Science & Technology)
発電効率向上を目的に、最新の技術的知見をもとに高温ガス炉システムGTHTR300の設計改良を行った。圧縮機試験結果を反映することでタービン及び圧縮機の効率を向上させるとともに、炉心設計により原子炉出口温度950$$^{circ}$$Cにおいても通常時及び減圧事故時の燃料最高温度が設計目標値以下となることを明らかにした。また、単結晶ニッケル基合金を採用することで、タービン入口温度950$$^{circ}$$Cにおいてもタービン翼の健全性を確保できることを示した。これらサイクルパラメーターを反映したサイクル計算を行った結果、送電端における発電効率が45.6%から50.4%に向上することを示した。
15
超安全炉の考え方
岡本 孝司*; 國富 一彦
エネルギーレビュー, 34(6), p.7 - 10, 2014/06
高温ガス炉の安全性を軽水炉との比較によりわかりやすく解説するともに、高温ガス炉開発の現状を紹介した。高温ガス炉では、「止める、冷やす、閉じ込める」の安全機能を追加の安全設備に頼ることなく、物理現象のみよって担保することができる。つまり、本質的に安全性が高く、運転や制御が容易であることが特長である。我が国においては、日本原子力研究開発機構と原子力産業界が、長年、高温ガス炉の技術開発を進め、大洗研究開発センター内に建設した高温工学試験研究炉(HTTR)により、世界をリードする高温ガス炉技術を構築してきた。今後は、日本における安全な原子炉として建設や開発をすすめるとともに、日本の戦略的技術として世界中に輸出していくことも可能である。
16
Proposal of a plutonium burner system based on HTGR with high proliferation resistance
深谷 裕司; 後藤 実; 大橋 弘史; 橘 幸男; 國富 一彦; 千葉 敏*
Journal of Nuclear Science and Technology, 51(6), p.818 - 831, 2014/06
 被引用回数:3 パーセンタイル:57.88(Nuclear Science & Technology)
プルトニウム専焼高温ガス炉概念Clean Burnを、HTTR建設・運転の経験及びGTHTR300設計の経験に基づき研究を行ってきた。本概念の目的はマルチリサイクルを行わずに効率的な軽水炉使用済燃料から発生する余剰プルトニウムを消費することである。Clean Burnでは不活性母材燃料を用いているため、製造においてプルトニウムにウランを混入させる必要がない。加えて、母材からのプルトニウムの生成及び母材による反応度欠損が少ないため、効率的にプルトニウムを燃焼させることができる。さらに、不活性母材燃料が安定であるため、燃料健全性及び地層安定性を保つことができる。本概念の特有の燃料製造システム及び不活性母材燃料の持つ安定性のため現行軽水炉MOX燃料よりも高い核拡散抵抗性を実現できる。これらの利点により日本の核燃料サイクル政策にも適合しうる。さらに、高温ガス炉概念に基づいているため、本質的安全性を具有している。関連研究の結果とともに検討した結果、本概念の有効性が確認できた。
17
Spontaneous stabilization of HTGRs without reactor scram and core cooling; Safety demonstration tests using the HTTR: Loss of reactivity control and core cooling
高松 邦吉; Yan, X.; 中川 繁昭; 坂場 成昭; 國富 一彦
Nuclear Engineering and Design, 271, p.379 - 387, 2014/05
 被引用回数:2 パーセンタイル:76.33(Nuclear Science & Technology)
固有の安全性を持つ高温ガス炉である高温工学試験研究炉(HTTR)において、強制冷却喪失事象を模擬した安全性実証試験を実施した。本論文では冷却材流量が定格の45t/hから0t/hまで低下し、制御棒が炉心に挿入されず、原子炉出力制御系が作動しない条件における、原子炉出力9MWからの強制冷却喪失(LOFC)時の解析結果を示す。解析より緊急炉心停止系が作動しなくても、炉心の負の反応度フィードバック特性により、原子炉出力がすぐに崩壊熱レベルまで低下し、炉心構造材の高い熱容量により炉内の温度分布がゆっくり変化することを明らかにした。以上により高温ガス炉固有の安全性を示すことができた。
18
Feasibility study on Naturally Safe HTGR (NSHTR) for air ingress accident
大橋 弘史; 佐藤 博之; 橘 幸男; 國富 一彦; 小川 益郎
Nuclear Engineering and Design, 271, p.537 - 544, 2014/05
 被引用回数:1 パーセンタイル:76.33(Nuclear Science & Technology)
福島第一原子力発電所事故以降、いかなる事故が発生しても、特段の機器・設備を必要とせず、物理現象のみで人及び環境に有害な放射線の影響を与えないことを目的とした本質的安全高温ガス炉の研究開発を開始した。高温ガス炉にとって過酷な事象である空気侵入事故時において、燃料被覆層の放射性物質閉じ込め機能を喪失させる原因事象として、黒鉛酸化反応で発生する一酸化炭素(CO)の爆発による破損、黒鉛酸化反応熱による昇華等が挙げられる。本研究では、1次系配管の2箇所破断を想定した過酷な空気侵入事故時における本質的安全高温ガス炉の技術的成立性を示すため、1次元定常モデルを用いて、円管流路におけるCO濃度及び反応熱に関する解析評価を行った。この結果、空気中の酸素との穏やかな反応によって冷却流路出口におけるCO濃度を爆発下限濃度未満に抑制、及び反応熱を物理現象のみによって除去可能な冷却材流路形状の条件が存在することを明らかにした。これにより、空気侵入事故時のCO爆発抑制及び反応熱除去に関して、本質的安全高温ガス炉の技術的成立性を示すことができた。
19
Analysis of core heat removal capability under DLOFC accidents for HTGRs
佐藤 博之; 大橋 弘史; 橘 幸男; 國富 一彦; 小川 益郎
Nuclear Engineering and Design, 271, p.530 - 536, 2014/05
 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)
本報告では、減圧事故時において能動的及び受動的設備の動作に期待することなく崩壊熱及び残留熱を除去可能な高温ガス炉の除熱特性を評価した。炉心、原子炉圧力容器および土壌、それぞれを集中定数化した簡易モデルを用いて非定常の温度挙動評価を行うとともに、炉心高さ、初期炉心温度、反射体高さ、炉室サイズおよびピーキング係数をパラメータとした検討を行った。計算結果から、炉心の出力密度および原子炉出力と半径の相関関係を得るとともに、崩壊熱及び残留熱除去の観点から本質的安全高温ガス炉が成立する見通しを得た。
20
Sustainability and economy of energy supply with HTGR fueled by uranium from seawater
深谷 裕司; 後藤 実; 大橋 弘史; 橘 幸男; 國富 一彦
Proceedings of 2014 International Congress on the Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2014) (CD-ROM), p.2066 - 2072, 2014/04
海水ウランを用いた高温ガス炉によるエネルギー供給の持続性及び経済性に関し研究した。高温ガス炉により持続的かつ安全に電力を供給するためには、ウラン資源は無尽蔵でなければならない。一方で、海水中には膨大な量のウラン資源が存在していることが知られ、その量は45億トンであり、7万年分の使用量に相当すると言われている。しかも、海水ウランは海底表面に存在する溶解量に対し1000倍程度のウランと平衡状態にあり、ほぼ全量が回収可能であると思われ、その量は4.5兆トンとなり、耐用年数にして7000万年に相当し、無尽蔵の資源と言える。また、経済性に関しては、海水ウランを使用した高温ガス炉に関し発電原価を求めた。その結果、在来型ウラン資源を用いた現行軽水炉よりも安価であることが分かった。