蒸気発生器伝熱管の高温ラプチャ解析 火薬トーチによる高温ラプチャ模擬試験の検証解析

0verheating failure analysis of steatm generator tubes; Validation analysis of explosive torch overheating test

浜田 広次  

Hamada, Hirotsugu

FBR蒸気発生器(SG)で水リークによるナトリウム-水反応ジェットが生じると、隣接伝熱管が急速に高温状態に曝される。このような条件下でも、管壁の機械的強度の低下による高温ラプチャが生じないことを確認することが安全上重要である。高温ラプチャ評価に向けて、これまで構造解析コードFINASによる1次元解析モデルを使用してきたが、本モデルの妥当性を確認するために、火薬トーチの火炎噴流により高温ラプチャを模擬した試験及び同解析モデルの検証を行った。その結果、以下が明らかになった。(1)同じ管内圧力でも、蒸気封入管はラプチャ破損し、蒸気流動管には破損が生じないことから、高温ラプチャでは管内冷却(除熱)効果が大きい。(2)同じ封入管でも、管外熱伝達率が小さい加圧管は破損しないことから、管内冷却効果と同様に反応ジェットによる管外熱伝達率の効果が大きい。(3)以上の傾向は、破損時間などが幾分保守的となるものの、FINASによる試験解析においても充分説明できることから、本解析モデルの妥当性が確認できる。以上の知見を踏まえ、今後火薬トーチ等による高温ラプチャ模擬試験及びコード検証を実施していく上での課題として、以下を提案した。試験条件となる実際のナトリウム-水反応ジェットによる管外熱伝達率を正確に把握し、試験条件の設定に反映すること。実機の管内条件を模擬するため、試験体には高圧の過熱蒸気を供給できる設備に変更すること。また、反応ジェットでは伝熱管の周方向及び軸方向に温度分布が生じることから、より現実的な高温ラプチャ解析には多次元(23次元)モデルを採用する必要があること。

Neighboring tubes in an FBR Steam Generator (SG) would suffer from overheating if a sodium-water reaction jet were formed due to water leakage in the SG. On the safety aspect of the SGs, it is important to confirm that the neighboring tubes would not fail under such an overheating condition. An analytical model using the structural integrity analysis code, FINAS, has been prepared to evaluate the overheating failure and here an explosive torch overheating test was analyzed to validate the FINAS model. These experiments and analysis indicate that the overheating failure is closely associated with heat transfer coefficients (HTCs) of outer and inner tube wall and that the FINAS model conservatively predicts the overheating failure within acceptable accuracy. For making progress in further tests like an explosive torch test and its code validation, it would be required that sodium-water reaction experiments should be performed to provide the data on the HTCs, high pressurized and superheated steam should be supplied in the explosive torch test, and that a multidimensional analytical model should be developed to closely predict the temperature distribution in the axial(z-) and circumferential(-) directions on the tube wall.