サーマルストライピングに関する研究の現状と今後の研究計画

Current status and future plan for thermaI striping investigations at JNC

村松 壽晴; 笠原 直人; 菊池 政之; 西村 元彦; 上出 英樹 

not registered; kasahara, Naoto; not registered; not registered; Kamide, Hideki

サーマルストライピングは高温と低温の流体が構造材に交互に接することにより、構造材の温度分布が時間的に変動し、結果として構造材に熱応力による高サイクル疲労を生じさせる現象である。ナトリウム冷却高速炉では、ナトリウムの高い熱伝導率により流体側の温度変動が構造に伝わりやすいため特に留意が必要である。本現象は流体と構造の境界分野にある複雑な現象であることから、十分な解明がなされておらず、設計では構造表面での温度変動幅を考えられる最大温度差である流体の混合前温度差とするか、モックアップ試験により温度変動幅等を測定した上で保守的に設計条件を定めることが多い。また、その方法はルール化/基準化されていない。これに対し、著者らは流体と構造の両面からの分析により、流体側の温度変動の発生から構造内への伝達までの過程を現象論的に明らかにしつつあり、熱疲労に対する支配因子として温度ゆらぎ振幅の減衰に着目している。これまでに、流体内、熱伝達、構造材内での変動の減衰を考慮し、疲労損傷、き裂進展まで評価できる解析コードシステムを構築してきており、実機解析を通してその適用性を確認した。今後は、実験検証を継続して一般化していく予定である。さらに、高速炉の経済性向上に寄与するためには、温度変動の減衰を含め熱荷重を合理的に評価し設計に適用できる「サーマルストライピングの評価ルール」を確立する必要がある。その原案を構築し、大きく2つの道筋を立てた。すなわち、現象解明を進めることによって、温度ゆらぎ振幅の減衰機構等の支配メカニズムを忠実にモデル化した詳細解析手法を提示するとともに、安全率を明確にした見通しの良い簡易評価手法を提案し、解析に基づく詳細評価手法と並行して選択できる評価体系を整備する。本報ではこの目標に必要な実験計画を策定し、さらにより一般的な熱荷重の取り扱いについて検討した。

Thermal striping is significant issue of the structural integrity, where the hot and cold fluids give high cycle fatigue to the structure through the thermal stress resulted from the time change of temperatur distibution in the structure. In the sodium cooled fast reactor, temperature change in fluid easily transfers to the structure because of the high thermal conductivity of the sodium. It means that we have to take care of thermal striping, The thermal striping is complex phenomena between the fluid and structure engineering fields. The investigations of thermal striping are not enough to evaluate the integrity directly. That is the fluctuation intensity at the structure surface is assumed to be temperature difference between source fluids (upstream to the mixing region) as the maximum value in the design. 0therwise, the design conditions are defined by using a mockup experiment and large margin of temperature fluctuation intensity. Furthermore, such evaluation manners have not yet been considered as a design rule. Transfer mechanism of temperature fluctuation from fluid to structure has been investigated by the authors on the view points of the fluid and structure. Attenuation of temperature fluctuation was recognized as a dominant factor of thermal fatigue. We have devdoped a numerical analysis system which can evaluate thermal fatigue and crack growth with consideration of the attenuation of temperature fluctuation in fluid, heat transfer, and structure. This system was applied to a real reactor and the applicability was confirmed. Further verification is planned to generalize the system. For the higher cost performance of the fast reactor, an evaluation rule is needed, which can estimate thermal loading with attenuation and can be applied to the design. An idea of the rule is proposed here. Two methods should be prepared; one is a precise evaluation method where mechanism of attenuation is modeled, and the other is simple evaluation method where ...