冷却材温度ゆらぎ現象の解析的評価手法の開発(VI) DINUS-3コードによるナトリウム温度ゆらぎ特性の検討

Development of analytical model for temperature fluctuationin in coolant (VI); Investigation of sodium temperature fluctuation by the DINUS-3 code

村松 壽晴

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炉心構成要素毎の熱流力特性(集合体発熱量、集合体流量)の違いから、炉心燃料集合体間あるいは炉心燃料集合体・制御棒集合体間などで冷却材に温度差が生じ、それらが混合する過程で不規則な温度ゆらぎ挙動が原子炉の炉心出口近傍に発生する。この温度ゆらぎを伴った冷却材が、炉心上部機構各部(整流筒、制御棒上部案内管、集合体出口温度計装ウェルなど)の表面近傍を通過する際に、冷却材中の不規則な温度ゆらぎが構造材中に伝播すると、その材料は高サイクル熱疲労を受ける(サーマルストライピング)。特に、冷却材として液体金属ナトリウムを使用する高速増殖炉では、高い熱伝導率を持つ液体金属ナトリウムの性質から大きな熱疲労の発生が懸念されている。本報では、分子拡散効果が乱流拡散効果に対して相対的に卓越する液体金属流の温度ゆらぎ評価に対するDINUS-3コードの適用性を検討するため、非等温平行噴流ナトリウム実験の解析を行い、水を作動流体とした同実験結果との比較検討を行った。この結果、実験により既に確認されている以下の特性を、模擬できることが確かめられた。(1)ナトリウムを作動流体とした場合の境界層よる温度ゆらぎ振幅の減衰量は、境界層厚さが水の場合の約1/4と薄いため、水を作動流体とした場合の約1/3倍に留まる。ナトリウムを作動流体とした場合、境界層厚さが薄くなる主な原因は、分子拡散効果が卓越することにより境界層内での状態量が急速に平坦化されるためである。(2)ナトリウムを作動流体とした場合の確率密度関数の標準偏差は、水を作動流体とした場合の約半分となる。これは、ナトリウムが持つ高い熱伝導率と小さな分子粘性に起因するものであり、現象自体が小渦塊スケールに支配されるためである。(3)作動流体の違いによる温度ゆらぎ頻度分布特性の変化は、実験において未だ現象論的解釈が行われていないものの、実験で確認されているその特性の変化、すなわち、水を作動流体とした場合の温度ゆらぎ頻度分布がレイリー分布に従い、またナトリウムを作動流体とした場合のそれが指数分布となる実験的事実はDINUS-3コードによって模擬可能である。以上より、DINUS-3コードは、分子拡散効果が相対的に卓越する液体金属温度ゆらぎ現象の評価に対しても十分な適用性を持つことが確認された。

A three-dimensional temperature fluctuation analysis was carried out using a general-purpose multi-dimensional thermohydraulics direct numerical simulation code DINUS-3 for parallel impinging jet experiments in sodium and water simulating thermal striping phenomena. The code utilized a third-order upwind scheme and an adaptive control system based on the Fuzzy theory to control time step sizes. The calculated results in both the cases showed evident differences mainly attributed to fluid properties such as heat conductivity, molecular viscosity, etc.. From the analysis, the following conclusions were obtained. (1)The amount of the temperature fluctuation damping by fluid mixing in sodium flow shows approximately two times larger than in water flow. While the damping amounts due to the laminar sub-layer in sodium flow is approximately 1/3 of that in water flow, (2)The variance of the probabilily density function for the calculated sodium temperature fluctuations is two times of the calculated water temperature fluctuations, and (3)The histogram of the normalized amplitude for calculated water temperature fluctuations can be fitted by a Layleigh distribution. By contrast, in the sodium case, the profile is very much like a exponential distribution. The results obtained in this work are very encouraging; the DINUS-3 code is one of the efficient measures to evaluate thermal striping phenomena in sodium, a low Prandtl number fluid, when one wishes to perform thermal striping evaluation in Liquid Metal Fast Breeder Reactors.