重力場を活用した新概念FBRの成立性に関する研究(II)

Feasibility study on advanced FBR utilizing gravitational field [II]; Fundamental research on autonomous heat removal system by using two-phase natural circulation

山岡 信夫*; 斉藤 正樹*; 宮崎 慶次*

Yamaoka, Nobuo*; not registered; Miyazaki, Keiji*

高速増殖炉のエネルギー輸送・変換系を簡素化すると同時に、安全姓の向上を図ることを目的として、二相流自然循環と液体金属MHD発電を組み合わせた新しい概念の自律型エネルギー変換システムの成立性に関する基礎研究を実施した。まず、最初、本システムのサイクル解析を実施した。基本的な作動流体として、水と低融点合金、水銀とスズの組合せを選び、二相流上昇部入口ボイド率、気液スリップ比、そして各コンポーネントの効率をパラメータとし、さらにシステムの最高温度を変化させて感度解析を行った。本解析の結果、本システムは従来の蒸気タービンサイクルに十分競合できるだけのサイクル効率が得られる可能性が高いことがわかった。しかし、サイクル効率は、気液分離器、再生熱交換器、及び熱力学的作動流体用循環ポンプの各効率にはあまり影響を受けないが、気液スリップ比と単相流下降部に設置する発電器効率に大きく影響を受け、気液スリップ比が低い値になるような二相流の心要があることがわかった。サイクル解析の結果、サイクル効率は循環する二相流の気液スリップ比に大きく影響を受けるため、次に、特に二相流上昇部における気液スリップ比に注目した、液体金属二相流自然循環特性を調べる基礎実験を実施した。作動流体としてウッズメタル(融点70度C、密度約9・5g/cm/SUP3)と窒素ガスを用い、二相流上昇部高さ約2mの試験装置で二相流自然循環の基本的な循環特性を調べた。本実験結果により、以下に示す結果を得た。(1)ボイド率が、約0.13程度までは気泡流で、気相流量の増加とともに液体循環流量は急激に増加し、気液スリップ比が比較的に小さいが、それ以降はスラッグ流に遷移しするため、気液スリップ比が増加し、液相循環流量の増加量は減る。(2)二相流自然循環におけるボイド率は、クオリティ-、フルイド数、気液密度比により以下に示す相関式で求められる。=8.7(X/1-X)0.33(Fr)0.78(1/g)-0.22

Fundamental characteristics of an autonmous energy conversion system using the two-phase natural circulation combined with liquid-metal magnetohydrodynamic (LMMHD) technology were investigated theoretically and experimentally to examine the possibilities for simplifying the energy conversion system and increasing safety characteristics of an LMFBR. Firstly, the cycle analyses were performed to examine the fundamental characteristics of the energy transfer and conversion of the present system for the various combinations of the working fluids such as water and Mercury as the thermodynamic fluids, and Woods metal and Tin as the MHD working fluids. The results are quite encouraging as summarized below. The cycle efficiency and electrical output power are sufficiently competitive with those of the conventional steam turbine cycle. The cycle efficiency, however, depends strongly on the vapor-liquid slip ratio at the two-phase upcomer and the generator efficiency at the single phase downcomer. It was also found that the cycle efficiency is very dull to efficiencies of the separator, regenerator and the circular pump for the thermodynamic working fluid. As the results of the above cycle analyses, it was found that the cycle efficiency depends strongly on the vapor-liquid slip ratio at the two-phase upcomer, Therefore, the experiments of the two-phase natural circulation were performed by using Woods metal (melting point: 70C, density: 9.5g/cm) and nitrogen gas as the working fluids to investigate the fundamental characteristics of the two-phase natural circulation, especially vapor-liquid slip ratio at the upcomer. The experimental results are summarized below. (1)The gas-liquid slip ratio decreases gradually with increasing mass flow rate of nitrogen gas up to void fraction of about 13%, because the mass flow rate of the liquid metal increases rapidly with increasing that of nitrogen gas. After that, the slip ratio turns to increase gradually with ...