サーマルストライピング現象の数値解析に関する研究

Study on numerical methods for thermal striping phenomena

村松 壽晴

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サーマルストライピング現象を解析的に評価可能とするため、乱流現象に対する時間平均輸送モデルに基づく解析コードおよび直接数値シミュレーションコードを開発した。サーマルストライピング現象は、定常不規則温度ゆらぎ挙動として特徴づけられ、高速炉の炉心出口近傍において高低温冷却材の混合過程で生じるものである。この現象は、炉心出口近傍に位置する炉心上部機構や整流筒などの構造物に定常的な熱疲労を与えると考えられるため、高速炉における熱流動設計上の重要な評価項目の一つとして認識されている。本研究では、サーマルストライピング現象を評価するために新たに開発を行った解析コードを用いて、水およびナトリウムを作動流体としたサーマルストライピング基礎実験の解析を行い、広範囲の実験条件で得られた結果と比較検討を行った。更に、高速炉の炉心出口近傍を実寸大で模擬したナトリウム実験の解析を行い、同様に実験結果との比較を行った。これらの実験結果との比較検討より、本研究で開発したサーマルストライピング解析コードは、温度ゆらぎ挙動の振幅と周波数を評価する上で実用上十分な精度と高い計算効率を有していることを確認した。以上の結果より、従来ほとんど実験的手段に依存してきたサーマルストライピング現象に対する評価を、本研究で提案した解析的評価手法によって置き換えが可能であることが示された。

A numerical method, which is represented by both time- and volume-averaged transport analysis and direct numerical simulation of turbulence, was developed for thermal striping phenomena. The phenomena are characterized by a stationary random temperature fluctuation occurring in the region immediately above the fast breeder reactor (FBR) core due to a temperature difference of the core outlet coolant between subassemblies. The thermal striping phenomena are recognized as one of the key problems from the standpoint of high-cycle thermal fatigue of the in-vessel components such as the upper core structure, flow guide tube, etc.. Fundamental experiments using water and sodium to simulate these thermal striping phenomena were calculated using the method developed in this study. Calculated results by the method were compared with the data under wide experimental conditions on the amplitude and frequency of the temperature fluctuations. Furthermore, the thermal striping phenomena in a 1:1 scale mock-up model sodium experiment simulating the outlet region of the FBR core were calculated by the method, and were compared with the calculational data. From these comparisons with the experimental data, it was confirmed that the numerical method has a sufficiently high potential in accuracy and efficiency to predict the amplitude and frequency of the temperature fluctuations related to the thermal striping phenomena. Consequently, it is concluded that the numerical prediction by the method developed in the present study can replace conventional experimental approaches using 1:1 or other scale model aiming at the simulation of the thermal striping phenomena in actual FBR plants. Furthermore, economical improvements in the FBR plants can be carried out based on the discussions of optimization and rationalization of the structural design using the numerical method.