Name: study of siphon breaker experiment and simulation for a research reactor
Uploaded: 2017-09-26T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
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この作品は韓国の政府によって資金を供給された韓国 (NRF) グラントの国立研究財団によって支えられた (MSIP: 科学省、ICT および将来計画) (号NRF-2016M2B2A9911771)。

1。 実験手順 4 , 5 , 6 <ol><li>準備ステップ <ol><li>実験施設を確認します。テスト マトリックスをもとに、慎重にテスト マトリックス テスト条件、LOCA サイズ、SBL サイズ、サイフォン ブレーカーの種類、実験前にオリフィスの有無などを確認します。また、テスト データのノイズや誤動作することがなく計測および施設のコンポーネントが適切に動作することを確認する</li>。
		<li>下部タンクの内部にインストール リターン ポンプを使用して水で上部タンクを入力します</li>。
		<li>は、SBL 内の残留空気を削除します。SBL から残留空気を削除する真空ポンプとバッファーを使用します</li>。
		<li>は、上部タンクの初期水位を確認します。タンクに接続されている定規を使用します</li>。
	</ol></li> <li>テスト ステップ <ol><li>配管システムの終わりにバルブを開きます</li>。
		<li>サイフォン破壊現象の中に水位、流量、圧力の変化などの測定データをチェック制御室のデータ集録システムを使用しています。冷却水の流出が存在しない場合、最初の実験は終了します。最後に、特定のテスト条件で得られた実験結果を記録します</li>。
	</ol></li> <li>テストの変数 (SBL サイズ、LOCA サイズ、オリフィスのプレゼンス、およびロカ位置) を次のように変更します。
	<ol><li>変更 SBL のサイズを 2、2.5、3、4、5、および 6 に引き続いて; 指定された SBL が位置第 2 図 2 フランジ継手による主なパイプに接続されています 。
		注: SBL、LOCA サイズ、オリフィスの存在など、実験の変数は、ボルトとナットでフランジ継手を使用して変更されます。したがって、これらのプロセスは手動で実施します</li>。
		<li>1.1.1 - 1.2.2 すべて SBL サイズ実験が行われるまでの手順を繰り返します</li>。
		<li>位置 1、ロカとは、6、8、10、12、14、16 インチに引き続いてロカ サイズを変更; 指定された減速機は 図 2 の位置 3 にフランジ継手による主な管に接続されています</li>。
		<li>1.1.1 - 1.3.2 すべてロカ サイズ実験が行われるまでの手順を繰り返します</li>。
		<li>オリフィス (または削除、オリフィス) 上部タンクの下部フランジ継手によるメインのパイプに接続されているインストールします 。
		注: 前の手順の実験はオリフィスの不在 (有無) によって運ばれてきた。したがって、オリフィス必要がありますをインストール (または削除) 次の実験のため。
		<ol><li>にこの作業を行うには、上部タンクの中の水がないことを確保します</li>。
		</ol></li> <li>1.1.1 - 1.3.4 の手順を繰り返します。オリフィスの存在 (か不在) 下 SBL とロカのサイズの効果を確認するには、前の手順を繰り返します</li>。
		<li>は、ロカの位置 1 を前の手順の実験を行ったと位置は 2 にロカを変更します。次の実験のロカの位置を変更します 。
		注: 実験のセットアップでは、2 つのロカ位置が構築されます。分離バタフライ バルブ各ロカ パイプは、主配管システムに接続されます。
		<ol><li>ロカの位置を変更するロカ位置 1 分離バタフライ弁を閉じるし、ロカ位置 2 のバルブを開く</li>。
		</ol></li> <li>手順 1.1.1 - 1.3.6</li>。
	</ol></li></ol> 2。シミュレーション プログラムを実行する <ol><li>サイフォン ブレーカー シミュレーション プログラムを実行するプログラムのアイコンをクリックします 。
	メモ: 手順については 補足のビデオ 1 で説明します。示すように、シミュレーション プログラムの初期画面は 4 つのボタン (表示パラメーター、実行、マニュアル、および終了) で構成されます。ユーザーがクリックすると、&#39; パラメーターを表示 &#39; ボタン、新しいコマンド ウィンドウが開き、パラメーターのリストが含まれています。ユーザーは変更し、変数の数値を確認することができます。&#39; 実行 &#39; ボタンが含まれている式に入力パラメーターを代入して計算を実行します。&#39; マニュアル &#39; ボタンは、使用状況とプログラムのバージョンを通知するため、&#39; 出口 &#39; プログラムを終了するボタン。結果に示すように、&#39; 結果の表示 &#39; windows</li>。
	<li>をクリックして、&#34; をパラメーター &#34; ボタン</li>。
	<li>指定したシミュレーション条件を考慮した入力データを変更します</li>。
	<li>をクリックして、&#34; を実行 &#34; ボタン</li>。
	<li>水位グラフの形状を確認してください、&#39; 結果の表示 &#39; ウィンドウ。プログラムは、時間と、結果の値を整理し、自動的にグラフがプロットします。
	<ol><li>グラフの形状、サイフォンの破壊の可能性を視覚的に確認した; 速報サイフォンは与えられた条件の下で可能な水位または高さのクロスモダル最後まで同じ値を常にある場合。 図 3 を参照してください</li>。
	</ol></li> <li>その他の出力をチェックイン、&#39; 結果の表示 &#39; ウィンドウ。(水位、クロスモダル高さ、圧力、水の速度、風速、気液混合物の速度、数量、および摩擦) 出力をチェックする 8 つのオプションがあることに注意してください。チェック ボックスを使用してグラフの種類を選択します 。
	注: 時間のそれぞれの値の変更は、グラフを見ることができるので、一目でサイフォンの破壊現象を把握する簡単だ</li>。
	<li>をクリックして時間によって出力の特定の値を確認、&#34; 特定の時間で計算する &#34; ボタン。希望の時間を入力し、設定した時間に従って結果をチェックします</li>。
	<li>をクリックしてすべてのシミュレーション結果データを保存、&#34; データを保存 &#34; ボタン 。
	注: 結果は、テキスト ファイルの形式で保存され、シミュレートされた条件は一緒に保存されます</li>。
</ol>

<ol>
	<li>McDonald, J., Marten, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Siphon Break as a Blocking Valve. , (1958).</li><li>. Siphon Breaker Design Requirements 12. Experimental and Analytical Study Available from: <a target="_blank" href="https://www.osti.gov/scitech/biblio/6623426">https://www.osti.gov/scitech/biblio/6623426</a> (1993)</li><li>Sakurai, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=JAERI-Research+99-016.">JAERI-Research 99-016.</a> Study for Improvements of Performance of the Test and Research Reactors. , (1999).</li><li>Kang, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Final Report of Experimental Studies on Siphon Breaker. , (2011).</li><li>Kang, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimental Study of Siphon breaker. , (2013).</li><li>Kang, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Siphon Breaker Design on Research Reactor with Real-Scale Experiment. , (2015).</li><li>Fossa, M., Guglielmini, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure+Drop+and+Void+Fraction+Profiles+during+Horizontal+Flow+through+Thin+and+Thick+Orifices.">Pressure Drop and Void Fraction Profiles during Horizontal Flow through Thin and Thick Orifices.</a> Exp. Thermal Fluid Sci. 26, 513-523 (2002).</li><li>Lee, K. Y., Kim, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+siphon+breaker+simulation+program+for+investing+loss+of+coolant+accident+of+a+research+reactor.">Development of siphon breaker simulation program for investing loss of coolant accident of a research reactor.</a> Ann. Nucl. Energy. 101, 49-57 (2017).</li><li>Lee, K. Y., Kim, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+Study+on+Loss+of+Coolant+Accident+of+a+Research+Reactor.">Theoretical Study on Loss of Coolant Accident of a Research Reactor.</a> Nucl. Eng. Des. 309, 151-160 (2016).</li><li>Lee, K. Y., Seo, K. W., Chi, D. Y., Yoon, J. H., Kang, S. H., Kim, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+analytical+studies+on+the+siphon+breakers+in+research+reactor.">Experimental and analytical studies on the siphon breakers in research reactor.</a> European Research Reactor Conference. , 18-22 (2012).</li></ol>

著者が明らかに何もありません。

サイフォン ブレーカーは、パイプの破断事故が発生したときに冷却剤の損失を防ぐために使用される受動的運営の安全装置。ただし、実機研究用原子炉の実験はないために、現代的な研究用原子炉に適用することは困難です。このため、POSTECH とえりで実大実験を行った。実験の目的は、サイフォン速報を実大のサイズで可能にして識別するために影響を与える要因を吸い上げる速報を確認?...

ヨルダンの研究と訓練リアクター (JRTR) キジャン研究炉 (KJRR) などの平板状燃料を使用して原子炉の数が最近増加しています。プレート型燃料を簡単に接続するためには、研究用原子炉は、コア下降流を必要とします。研究用原子炉では、一次冷却系の正味の正吸引頭を必要とするので、いくつかの冷却システムのコンポーネントは原子炉の下インストール潜在的でした。ただし、以下の原子炉の一次冷却装置のパイプ破断が発生すると、サイフォン効果は原子炉の空気への暴露につながる冷却水の連続的な排水を引き起こします。これは余熱できない削除し、重大な事故につながる可能性があることを意味します。したがって、冷却事故 (ロカ) 紛失は、重大な事故を防ぐことができる安全装置が必要です。サイフォンのブレーカーは、そのような安全装置です。それは、空気の流入を使用して排水を効果的に防ぐことができます。全体のシステムは、システムを破壊するサイフォンと呼ばれます。
研究炉の安全性の向上のためのいくつかの研究が行われています。マクドナルドとテン1は、積極的に営業のブレーカーとしてバルブを壊すサイフォンの性能を確認するために実験を行った。ニールとステファン2は、小型のパイプで受動的操作デバイスとしてサイフォンのブレーカーを使用して、実験を行った。櫻井3は、完全独立した空気水フロー モデルを適用した速報サイフォンを分析するための解析モデルを提案しました。
速報サイフォンは、考慮する必要があります多くのパラメーターがあるので非常に複雑です。さらに、実規模の研究用原子炉の実験が行われないために、現代的な研究用原子炉に先行研究を適用する困難です。したがって、以前の研究は、サイフォンを壊すため満足な理論モデルを提示していません。このため、理論的なモデルを確立する実大実験を行った。
浦項科学技術 (POSTECH)、韓国原子力研究所 (えり)4,5 大学によって行われた実規模検証実験研究用原子炉にサイフォン ブレーカーの影響を調べるためには、 ,6。図 1は、サイフォン ブレーカー実験のため実際の施設です。施設の概略図を図 2に示し、施設マークが含まれています。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig1.jpg"> 
図 1。実証実験を壊すサイフォン施設。主配管サイズは 16 で、観察用アクリル ウィンドウがインストールされています。オリフィスは圧力損失を記述するための仕組みも用意です。したがって、上部タンクの下部にオリフィス アセンブリ部分があります。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55972/55972fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig2.jpg"> 
図 2。実験施設の概略図。測定ポイントの場所が表示されます。数字には、これらの関連する場所。サイフォン ブレーカーの入り口は 0 を返してポイント、ポイント 1 水レベルを示します、サイフォン ブレーカーとメイン配管との接続部分を意味する 2 ポイントおよびポイント 3 を意味する、LOCA を配置します。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55972/55972fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
サイフォン ブレーカーの実験施設は上部タンク、下部タンク、配管システム、およびリターン ポンプから成っています。上のタンクの容量は 57.6 m3です。下部エリアと深さは、それぞれ 14.4 m2 (4 m × 3.6 m) と 4 m。下部タンクとロカの位置は、上部タンクの下に位置する 8.3 m です。下のタンクの容量は 70 m3です。下部のタンクは、実験中に水を格納する使用されます。下部のタンクは、リターン ポンプに接続されます。下のタンクの水は、上部のタンクに注入されます。配管システムの主配管サイズは、16 です。サイフォン ブレーカー ライン (SBL) の最後は下段のパイプの上に位置する 11.6 m ポイントを破裂します。さらに、図 1に示すように、アクリル窓は可視化用のパイプにインストールされます。
いくつかのデバイスは、物理的な信号を測定するインストールされました。2 つの絶対圧力トランスデューサー (ピンズ) および 3 つの差動圧力トランスデューサー (Dpt) 使用されました。水の質量流量を測定するには、超音波流量計は使用されました。データ集録システムは、時間間隔 250 ms ですべての計測データを取得に使用されました。測定機器に加えて観測用カメラを設置、定規の水のレベルをチェックする、上部タンクの内壁についた。
実験では、様々 なロカとサイフォン ブレーカー (SB) サイズ、サイフォンのブレーカーの種類 (線/穴) と原子炉の燃料とパイプ破断点に関するオリフィスの存在を考えられていた。ロカと SBL のサイズ、ロカと SBL の様々 なサイズの効果を検証するために使用されました。16 で 2 〜 6 の SBL サイズで 6 〜 ロカ サイズ。実験では、サイフォン ブレーカーの線と穴の種類は、使用されたが、本研究の次のコンテンツのみを考慮して JRTR と KJRR で使用される SBL 型。実験結果の例としては、図 3は、圧力と水、流量データを含むグラフは。2013 年 10 月 4 日に実験を行った、実験データのサンプルは LN23 (ライン型 SB、ないオリフィス ロカ、SBL の 2.5 の 12)。
実験データからサイフォン現象を予測できる理論が設立されました。理論モデルはベルヌーイの式から始まります。流体の速度はベルヌーイの式から得られるし、体積流量はパイプ領域による流体の速度を乗算することによって取得できます。さらに、水のレベルは、体積流量を使用して取得できます。理論的なモデルの基本的なコンセプトは上記。ただし、サイフォン現象は二相流なので考慮すべき追加点があります。二相流解析モデルを検討するには、, 精度評価実験を行った.チザム モデルの均質なモデルよりもより正確な頃、チザム モデル現象を分析するため。チザム社のモデルによると二相乗算式は方程式 17として表されます。この方程式で ф 二相の乗数を表します、ρ は密度を表す、X は品質を表します。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq1.jpg">(1)
p クラス ="jove_content"> で、チザム モデル質量流量によって変化する係数 B が含まれていた。最終的に、チザム係数 B と原子炉設計条件の相関式の導出は、理論的モデルの重要なポイントです。つまり、実験のもう一つの目的は設計条件とチザム係数 b. 間の関係を確立するデータを取得、テスト結果から設計条件とチザム係数 B との相関式が設立されました。サイフォン現象をも破壊を予測する結果の理論的モデルが開発されました。
さらに、シミュレーション プログラムのグラフィック ユーザー インターフェイス (GUI) が開発されました。図 3に絶対圧データの移行による現象は 3 つの段階に分けることができます: クーラント (単相流)、サイフォン速報 (二相流)、および定常状態の損失。したがって、アルゴリズムの主な計算プロセスには、実際の現象の 3 つの段階に対応する 3 つの手順が含まれます。計算過程を含むシミュレーション プロセスを記述する全体のアルゴリズムは図 48に表示されます。
ソフトウェアを使用して (ビデオの補足 1参照) シミュレーションを開始するには、ユーザーが入力した設計条件に対応する入力パラメーターと入力パラメーターは固定値として格納されます。ユーザーは、パラメーターを入力後シミュレーションを続行、プログラムは最初のステップの計算を実行します。最初のステップは、サイフォン効果によりクーラントのパイプ破断後の損失計算は、単相の計算です。変数 (ベルヌーイの式、質量流量保存、等) のように理論的なモデルによって自動的に計算し、計算を実行して、ユーザーによって入力されたパラメーターから。計算結果は、ユーザーの指定した時間単位によるとコンピューターのメモリに順次格納されます。
場合は水位下がる位置 0 に、それは空気がこの瞬間、SBL に突入だすのでを単相流れを終了することを意味します。したがって、単相流の最初のステップは、水レベル 0 の位置に到達するまで続行されます。水のレベルは、0 の位置には、場合、undershooting の高さはゼロ。Undershooting の高さは、サイフォンの中断の後、SBL の入り口、上部タンクの水位の高低差です。つまり、高さのクロスモダル速報サイフォンの中にどのくらい水位が減少したことを示します。したがって、undershooting の高さは冷却材喪失量の直接定量法が許可されるため、重要なパラメーターであります。その結果、プログラムは、undershooting の高さによると最初のステップの計算の終わりを決定します。
Undershooting の高さが 0 より大きい場合、プログラムは二相流をシミュレートすることができます 2 番目のステップの計算を実行します。ステージを壊すサイフォンで水と空気の流れがあるために、両流体の物性を考慮されなければなりません。そのため、二相の乗数、品質、およびボイド率の値はこの計算手順でと見なされます。特別に、ボイド率の値は、終了 2 番目のステップの計算の基準として使用されます。空隙率は、空気の合計に空気の流れと水の流れの比率として表現できます。ボイド率 (α) 値が 0.9 以上になるまで、2 番目のステップの計算が行われます。Α が 0.9 以上と、3 番目のステップ計算を実行して定常状態を表します。Α はサイフォンを破る終了基準に理論的には、この時点でパイプ内の空気だけが存在するために 1 を =。しかし、このプログラムを壊すサイフォンの終了条件は α = 0.9 計算プロセスに任意のエラーを回避します。したがって、結果の部分的な損失は避けられないが、このエラーは無視することができます。
定常計算は、ユーザーによって設定された時間中に行われます。以上、変更は、定常状態の特徴として、計算結果の値は、常に一定。サイフォンの破壊に成功した場合、上部タンクの水の最後のレベル特定の値は、ゼロではないのままになります。しかし、サイフォン速報が正常に実行されない場合、クーラントがほとんど失われる、水の最終的なレベル値がゼロに近づきます。したがって、定常状態における水位値 0 の場合、指定された設計条件がサイフォンの破壊を完了するのに十分ではないことを示します。
計算後、ユーザーはさまざまな方法で結果を確認できます。結果は、サイフォンを破り、進行状況、および特異性を壊すサイフォンのステータスを表示します。シミュレーション プログラムは、予測し現象を現実的に分析し、サイフォン ブレーカー システムの設計を支援できます。この紙、実験プロトコル、実験とシミュレーション プログラムのアプリケーションの結果が掲載されています。

<table><tbody><tr><td>Absolute pressure transducer</td><td>Sensor Technics</td><td>CTE9000</td><td>0.05% full-scale error</td></tr><tr><td>Differential pressure transducer</td><td>Setra</td><td>C230</td><td>0.25% full-scale error</td></tr><tr><td>Ultrasonic flow meter</td><td>Tokyo Keiki</td><td>UFP-20</td><td>Resolution 0.01m^3/h</td></tr><tr><td>Visual Studio 2012</td><td>Microsoft</td><td>Windows 8</td><td>Microsoft Foundation Class</td></tr><tr><td>E.R.W. steel pipe</td><td>Hyundai Hysco</td><td>KS D 3507(SPP)</td><td>400A(out dia.) x 7.9mm(thickness)</td></tr></tbody></table>

study of siphon breaker experiment and simulation for a research reactor

研究用原子炉の設計条件下で配管破断によるサイフォン現象は、水の連続的な外へ向かう流れを可能性があります。この流出を防ぐためには、制御装置が必要です。サイフォン ブレーカーは、冷却水の損失を効果的に制御することが出来、安全装置の一種です。
速報サイフォンの特性を分析し、実大実験を行った。実験の結果からサイフォン現象に影響を与えるいくつかの設計要素があることが分かった。したがって、予測、様々 な設計条件下での現象を速報サイフォンを分析することができる理論的なモデルを開発する必要があります。実験データを使用して、進行状況、サイフォン現象を速報の結果を正確に予測する理論モデルを定式化することが可能だった。確立された理論モデルは流体力学に基づいており、二相流の解析チザム モデルが組み込まれています。ベルヌーイの式、速度、量、高さ、水位、圧力、摩擦係数、および二相流に関連する要因のクロスモダルでしたが取得または計算されました。さらに、本研究で確立モデルを利用するサイフォン ブレーカー解析・設計プログラムを開発しました。シミュレーション プログラムは、理論モデルに基づいて動作し、グラフとして結果を返します。ユーザーは、グラフの形状を確認することによって壊すサイフォンの可能性を確認できます。さらに、全体のシミュレーションの結果の保存が可能、システムを破壊する本物サイフォンを分析するため、リソースとして使用されることができます。
結論として、ユーザーは、サイフォンを壊すと本研究で開発したプログラムを使用してサイフォン ブレーカー システム設計の状態を確認できます。

速報サイフォンの全体のプロセスは、3 つの段階で構成されます。最初の段階は、サイフォン効果により冷却材の流出です。第二段階は、サイフォンの破壊と呼ばれる、冷却剤の損失をブロックする SBL の空気の流入を開始するプロセスです。サイフォン破壊現象は、図 3の絶対圧の急激な増加として見なすことができます。絶対圧が急速に増加?...

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Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

サイフォン現象を実験し、理論的なモデルを提案しました。理論的モデルに基づくシミュレーション プログラムを開発し、プログラムのシミュレーション結果は実験結果と比較した.シミュレーション プログラムの結果の実験結果がよく一致することがわかった。

研究用原子炉のサイフォン ブレーカー実験とシミュレーションに関する研究

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

8.7K ビュー.  Handong Global University. サイフォン現象を実験し、理論的なモデルを提案しました。理論的モデルに基づくシミュレーション プログラムを開発し、プログラムのシミュレーション結果は実験結果と比較した.シミュレーション プログラムの結果の実験結果がよく一致することがわかった。

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Development of Sulfidogenic Sludge from Marine Sediments and Trichloroethylene Reduction in an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

The importance of microbial sulfate reduction relies on the various applications that it offers in environmental biotechnology. Engineered sulfate reduction is used in industrial wastewater treatment to remove large concentrations of sulfate along with the chemical oxygen demand (COD) and heavy metals. The most common approach to the process is with anaerobic bioreactors in which sulfidogenic sludge is obtained through adaptation of predominantly methanogenic granular sludge to sulfidogenesis. This process may take a long time and does not always eliminate the competition for substrate due to the presence of methanogens in the sludge. In this work, we propose a novel approach to obtain sulfidogenic sludge in which hydrothermal vents sediments are the original source of microorganisms. The microbial community developed in the presence of sulfate and volatile fatty acids is wide enough to sustain sulfate reduction over a long period of time without exhibiting inhibition due to sulfide. 
This protocol describes the procedure to generate the sludge from the sediments in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) type of reactor. Furthermore, the protocol presents the procedure to demonstrate the capability of the sludge to remove by reductive dechlorination a model of a highly toxic organic pollutant such as trichloroethylene (TCE). The protocol is divided in three stages: (1) the formation of the sludge and the determination of its sulfate reducing activity in the UASB, (2) the experiment to remove the TCE by the sludge, and (3) the identification of microorganisms in the sludge after the TCE reduction. Although in this case the sediments were taken from a site located in Mexico, the generation of a sulfidogenic sludge by using this procedure may work if a different source of sediments is taken since marine sediments are a natural pool of microorganisms that may be enriched in sulfate reducing bacteria.

Microbial sulfate reduction is a process of great importance in environmental biotechnology. The success of the sulfidogenic reactors depends among other factors on the microbial composition of the sludge. Here, we present a protocol to develop sulfidogenic sludge from hydrothermal vents sediments in a UASB reactor for reductive dechlorination purposes.

上向流嫌気性スラッジブランケット炉内の海洋堆積物やトリクロロエチレンの削減からSulfidogenic汚泥の開発

The importance of microbial sulfate reduction relies on the various applications that it offers in environmental biotechnology. Engineered sulfate ...

環境学

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive &#8220;hydrothermal&#8221; injections.

We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.

ケミカル・ガーデンフロースルーリアクターのシミュレーション自然熱水系など

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

化学

Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident

Major and severe accidents have occurred three times in nuclear power plants (NPPs), at Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (former USSR, 1986) and Fukushima (Japan, 2011). Research on the causes, dynamics, and consequences of these mishaps has been performed in a few laboratories worldwide in the last three decades. Common goals of such research activities are: the prevention of these kinds of accidents, both in existing and potential new nuclear power plants; the minimization of their eventual consequences; and ultimately, a full understanding of the real risks connected with NPPs. At the European Commission Joint Research Centre&#39;s Institute for Transuranium Elements, a laser-heating and fast radiance spectro-pyrometry facility is used for the laboratory simulation, on a small scale, of NPP core meltdown, the most common type of severe accident (SA) that can occur in a nuclear reactor as a consequence of a failure of the cooling system. This simulation tool permits fast and effective high-temperature measurements on real nuclear materials, such as plutonium and minor actinide-containing fission fuel samples. In this respect, and in its capability to produce large amount of data concerning materials under extreme conditions, the current experimental approach is certainly unique. For current and future concepts of NPP, example results are presented on the melting behavior of some different types of nuclear fuels: uranium-plutonium oxides, carbides, and nitrides. Results on the high-temperature interaction of oxide fuels with containment materials are also briefly shown.

We present experiments in which real nuclear fuel, cladding, and containment materials are laser heated to temperatures beyond 3,000 K while their behavior is studied by radiance spectroscopy and thermal analysis. These experiments simulate, on a laboratory scale, the formation of a lava-phase following a nuclear reactor core meltdown.

レーザー加熱と原子力発電所事故を模擬した条件における核物質に関する研究の輝き分析

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In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to visualize the behavior of petroleum samples under process conditions. The experimental setup relies on a custom-built micro-reactor fitted with a sapphire window at the bottom, which is placed over the objective of an inverted microscope equipped with a cross-polarizer module. Using reflection microscopy enables the visualization of opaque samples, such as petroleum vacuum residues, or asphaltenes. The combination of the sapphire window from the micro-reactor with the cross-polarizer module of the microscope on the light path allows high-contrast imaging of isotropic and anisotropic media. While observations are carried out, the micro-reactor can be heated to the temperature range of cracking reactions (up to 450 &#176;C), can be subjected to H2 pressure relevant to hydroconversion reactions (up to 16 MPa), and can stir the sample by magnetic coupling. 
Observations are typically carried out by taking snapshots of the sample under cross-polarized light at regular time intervals. Image analyses may not only provide information on the temperature, pressure, and reactive conditions yielding phase separation, but may also give an estimate of the evolution of the chemical (absorption/reflection spectra) and physical (refractive index) properties of the sample before the onset of phase separation.

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

This article describes a setup and method for the in situ visualization of oil samples under a variety of temperature and pressure conditions that aim to emulate refining and upgrading processes. It is primarily used for studying isotropic and anisotropic media involved in the fouling behavior of petroleum feeds.

製油所のプロセス条件下で油試料の相挙動のその場可視化で

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to ...

工学

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without attendance and adjustment. Thermochemical thrusters which utilize thermodynamic properties of gases as a means of acceleration have physical limitations on their exhaust gas velocity, resulting in low efficiency. Moreover, these engines demonstrate extremely low efficiency at small thrusts and may be unsuitable for continuously operating systems which provide real-time adaptive control of the spacecraft orientation, velocity and position. In contrast, electric propulsion systems which use electromagnetic fields to accelerate ionized gases (i.e., plasmas) do not have any physical limitation in terms of exhaust velocity, allowing virtually any mass efficiency and specific impulse. Low-thrust Hall thrusters have a lifetime of several thousand hours. Their discharge voltage ranges between 100 and 300 V, operating at a nominal power of &lt;1 kW. They vary from 20 to 100 mm in size. Large Hall thrusters can provide fractions of millinewton of thrust. Over the past few decades, there has been an increasing interest in small mass, low power, and high efficiency propulsion systems to drive satellites of 50-200 kg. In this work, we will demonstrate how to build, test, and optimize a small (30 mm) Hall thruster capable of propelling a small satellite weighing about 50 kg. We will show the thruster operating in a large space environment simulator, and describe how thrust is measured and electric parameters, including plasma characteristics, are collected and processed to assess key thruster parameters. We will also demonstrate how the thruster is optimized to make it one of the most efficient small thrusters ever built. We will also address challenges and opportunities presented by new thruster materials.

Here, we present a protocol to test and optimize space propulsion systems based on miniaturized Hall-type thrusters.

最適化、テストおよび小型ホールスラ スターの診断

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also research. Interactive and visualizing features, including theory-guided algorithm implementation, web-based algorithm design, customizable monitoring interface, and three-dimensional (3-D) virtual test rigs are discussed. To illustrate the features and functionalities of the proposed laboratories, three examples, including the first-order system exploration using a circuit-based system with electrical elements, web-based control algorithm design for virtual and remote experimentation, are provided. Using user-designed control algorithms, not only can simulations be conducted, but real-time experiments can also be conducted once the designed control algorithms have been compiled into executable control algorithms. The proposed online laboratory also provides a customizable monitoring interface, with which users can customize their user interface using provided widgets such as the textbox, chart, 3-D, and camera widget. Teachers can use the system for online demonstration in the classroom, students for after-class experimentation, and researchers to verify control strategies.

This work describes an online experimentation system that provides visualized experiments, including the visualization of theories, concepts, and formulas, visualizing the experimental process with three-dimensional (3-D) virtual test rigs, and visualizing the control and monitoring system using widgets such as charts and cameras.

工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also ...

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The variable-speed EHA has now taken priority over the variable-displacement EHA, but its driving motor and associated electronics encounter issues when applied in high-power applications: low-dynamics, high thermal dissipation, high price, etc. Therefore, a variable-displacement EHA equipped with an electro-variable displacement pump (EVDP) has been considered. The EVDP itself is a mechatronic system that integrates a piston pump, a ball screw, a gearbox, and a permanent magnet synchronous motor (PMSM). Consequently, the EVDP needs to be investigated to ensure its system-level performance when applied in an EHA. In addition to the previous research on the technical parameters of the EVDP, a dedicated design method is necessary for further reducing the cost of using the EVDP and exploring its performance potential. Here, a simulation based EVDP preliminary design method is selected for designing a 37 kW EVDP. Firstly, a previously proposed multidisciplinary model of the EVDP is extended by improving the parameter generation, including the EVDP life, reliability, control models, etc. Secondly, the proposed model is partially verified using a downsized prototype. Thirdly, the EVDP is simulated at a system level, supported by the proposed model. The EVDP performance is evaluated according to the specified design requirements. The temperature, bandwidth and accuracy, reliability and lifetime, etc., are all predicted for the EVDP. The simulation results demonstrate the EVDP's applicability in variable-displacement EHA. The proposed modeling and simulation method can be used to evaluate diverse EVDP performance and respond to general design requirements. The method can also support the resolution of the preliminary design challenges in terms of limited information and robustness. Therefore, the proposed method is appropriate for the realization of the simulation-based EVDP preliminary design method.

A simulation model specifically supporting the preliminary design of an electro-variable displacement pump (EVDP) is developed and partially verified by experiments. The control performance, life, reliability, etc., can all be evaluated using the proposed model, which covers the main performance requirements under the EVDP preliminary design task.

電気可変容量ポンプの予備設計のためのモデリングとシミュレーション手法

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

Experimental Multiscale Methodology for Predicting Material Fouling Resistance

The buildup of fouling deposits in energy systems degrades their ability to transfer heat, reducing efficiency and causing operational issues such as localized corrosion. Each application presents its own challenges. In nuclear power generation, the buildup of CRUD (Chalk River Unidentified Deposits) induces unique, negative effects ranging from reduced heat transfer, to axial power shifting, to CRUD-induced localized corrosion (CILC), the last of which can cause sudden fuel failure. Knowledge of why CRUD forms and how to prevent its adhesion to nuclear fuel rods represents a major step towards eliminating it. This paper demonstrates a methodology to ascertain which materials may resist CRUD adhesion, thereby preventing its initiation and growth. It presents experiments targeted at multiple length scales: pool boiling (macroscale), which simulates CRUD initiation processes in a nuclear reactor, and atomic force microscope (AFM) force spectroscopy (microscale), which yields quantitative measurements of the adhesion between CRUD constituents and candidate CRUD-resistant materials. Early data from both sets of experiments show some correlation, suggesting that AFM force spectroscopy (AFM-FS) may be used to pre-screen materials for fouling resistance. So far, it appears that CRUD constituents adhere well to oxides, while carbides show both greatly reduced adhesion and no adherent CRUD in pool boiling experiments. The relationship between the AFM-FS measurements and the growth of CRUD in the pool boiling experiments may provide insight into the possible factors affecting fouling in nuclear reactors, eventually leading to its elimination.

Fouling, or corrosion product deposition, plagues numerous fields of energy production. At its core is adhesion between dissimilar materials. Understanding and controlling adhesion could reduce or eliminate fouling. This paper demonstrates pool boiling experiments (macroscale) and atomic force microscope force-spectroscopy measurements (microscale), which when in agreement, indicate fouling-resistance.

The buildup of fouling deposits in energy systems degrades their ability to transfer heat, reducing efficiency and causing operational issues such as ...

生物学

Assembly of a Reflux System for Heated Chemical Reactions

Source: Laboratory of Dr. Philip Miller &#8212; Imperial College London
Many chemical experiments require elevated temperatures before any reaction is observed, however heating solutions of reactants can lead to loss of reactants and/or solvent via evaporation if their boiling points are sufficiently low. In order to ensure no loss of reactants or solvent, a reflux system is used in order to condense any vapors produced on heating&#160;and return these condensates to the reaction vessel.&#160;

温水の化学反応のための還流システムの組み立て

Source: Laboratory of Dr. Philip Miller &#8212; Imperial College London
Many chemical experiments require elevated temperatures before any reaction is ...

Education

JoVE Science Education

有機化学

Single and Two-phase Flow in a Packed Bed Reactor

Source: <a href="https://www.jove.com/author/Kerry+M._Dooley">Kerry M. Dooley</a> and Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The goal of this experiment is to determine the magnitude of maldistribution in typical packed bed reactors in both single phase and two-phase (gas-liquid) flow and evaluate the effects of this maldistribution on pressure drop. The concepts of residence time distribution and dispersion are introduced through the use of tracers, and these concepts are related to physical maldistribution.
Channeling in a single-phase flow can occur along walls or by preferential flow through a larger portion of the bed cross-section. Channeling in two-phase flow can result from even more complex causes, and simple two-phase flow theories seldom predict pressure drops in packed beds. A design goal is always to minimize the extent of channeling by finding the optimal bed and particle diameters for the design flow rates and by packing a bed in a way to minimize settling. It is always important to quantify how much maldistribution might occur and to over-design the unit to account for its occurrence.
The permeameter apparatus measures pressure drop, &#916;P, and the concentration of tracer (dye) exiting horizontal packed beds of armored glass for either water, air, or two-phase flow (Figures 1 and 2). Water enters through a control valve and can be routed through manual valves to any of five beds (48&#34; long, 3&#34; I.D.) with different size glass bead dumped (random) packings. The pressure drop is measured using a pressure transmitter. The water flow is measured by a differential pressure (DP, orifice) transmitter and the air flow by a dry test meter (similar to a home gas meter). The dye sample is injected upstream by an automated sampling valve. The exit concentration of the dye from a bed is measured using a UV-Vis spectrometer. Residence time distributions are calculated from the tests and compared to the predictions of theories on dispersion in packed beds. Two-phase flow will be studied in bed 5, which contains the largest particles.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10431/10431fig1.jpg" /> 
Figure 1: Process and instrumentation diagram of the apparatus.
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10431/10431fig2.jpg" /> 
Figure 2. 3-D rendering of the apparatus. Bed #1 is at the top, bed #5 at the bottom. The water control valve is on the left (red bonnet). The DP transmitter is at the top center (blue).

充填層反応器内の単相および流れ

Source: Kerry M. Dooley and Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The goal of this experiment ...

研究用原子炉のサイフォンブレーカー実験とシミュレーションに関する研究

要約

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上向流嫌気性スラッジブランケット炉内の海洋堆積物やトリクロロエチレンの削減からSulfidogenic汚泥の開発

ケミカル・ガーデンフロースルーリアクターのシミュレーション自然熱水系など

レーザー加熱と原子力発電所事故を模擬した条件における核物質に関する研究の輝き分析

製油所のプロセス条件下で油試料の相挙動のその場可視化で

最適化、テストおよび小型ホールスラスターの診断

工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム

電気可変容量ポンプの予備設計のためのモデリングとシミュレーション手法

Experimental Multiscale Methodology for Predicting Material Fouling Resistance

温水の化学反応のための還流システムの組み立て

充填層反応器内の単相および流れ

研究用原子炉のサイフォン ブレーカー実験とシミュレーションに関する研究

要約

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上向流嫌気性スラッジブランケット炉内の海洋堆積物やトリクロロエチレンの削減からSulfidogenic汚泥の開発

ケミカル・ガーデンフロースルーリアクターのシミュレーション自然熱水系など

レーザー加熱と原子力発電所事故を模擬した条件における核物質に関する研究の輝き分析

製油所のプロセス条件下で油試料の相挙動のその場可視化で

最適化、テストおよび小型ホールスラ スターの診断

工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム

電気可変容量ポンプの予備設計のためのモデリングとシミュレーション手法

Experimental Multiscale Methodology for Predicting Material Fouling Resistance

温水の化学反応のための還流システムの組み立て

充填層反応器内の単相および流れ

研究用原子炉のサイフォンブレーカー実験とシミュレーションに関する研究

最適化、テストおよび小型ホールスラスターの診断