燃料集合体ポーラス状閉塞における温度場の特性; 37ピンバンドル体系ナトリウム試験

Study on temperature field in porous blockage in a fuel subassembly; 37-pin bundle sodium experiment

小林 順 ; 磯崎 正; 田中 正暁  ; 西村 元彦; 上出 英樹 

not registered; not registered; not registered; not registered; Kamide, Hideki

高速炉の特性として、炉心燃料集合体内のピンバンドルの緊密さ(流路の水力等価直径:約3[mm])と出力密度の高さ(ピンバンドル部最大値:約520[W/cmの3乗])が挙げられる。この特性に着目した安全評価事象として燃料集合体内局所異常事象がある。局所異常事象の起因事象の一つとして局所的な流路閉塞事象が挙げられ、その研究が進められている。既往研究では、ワイヤスペーサ型バンドル内での閉塞形態は微小粒子による厚みのあるポーラス状閉塞となる可能性が高いとされている。燃料集合体内にこのような局所的な閉塞が生じた場合における燃料ピンの健全性を評価するためには、ポーラス状閉塞物内部およびその周囲の熱流動挙動を把握するとともに、閉塞領域近傍の温度分布および最高温度を予測する必要がある。本研究では燃料集合体内ポーラス状閉塞に関する現象の把握と解析コードの総合的な検証データの取得を目的にナトリウム実験を実施した。実験は、60万kW級大型炉の燃料ピンを模擬した電気ヒーターピンからなる37本ピンバンドルを用いて行なった。ポーラス状閉塞物はSUS球を焼結させて製作し、模擬集合体の一辺に沿った外側2列の14サブチャンネルにわたって組み込んだ。ヒーターピン出力を試験パラメータとし、大型炉の最大線出力(420[W/cm])の14%から43%の範囲で変化させた。流量条件は大型炉の集合体内定格時Re数の93%で一定とした。試験の結果、閉塞されたサブチャンネルでかつ周囲の3サブチャンネルが全て閉塞しているサブチャンネルに面した模擬燃料ピン表面の流れ方向下流側位置において最高温度が観測された。流れ方向下流側に最高温度が観測されたことなどからポーラス状閉塞物内の温度場が内部の流動場の影響を強く受けていることがわかった。閉塞物内の温度分布形状はヒータ出力の依存性が小さく、集合体入口から最高温度点までの温度上昇幅はヒータ出力に比例して増加することが明らかとなった。

Local blockage issue in a fuel subassembly is one of initiation of local fault in a fast reactor core. ln existing studies, it is shown that blockage in a wire-spacer type pin bundle will consist of small particles coming through the bundle and will be porous. ln order to evaluate the integrity of fuel pins covered by the porous blockage, we have to predict thermohydraulics in the blockage and also in the pin bundle. ln this study sodium experiments were carried out using a 37-pin bundle test section with a porous blockage. The fueI pins are modeled by electric heater pins of 8.5 mm in diameter (full scale). The blockage is formed by stainless steel spheres of 0.3 mm in diameter. The blockage is set in the two rows of subchannels along one side of hexagonal wrapper tube. The length of blockage in axial direction is 35 mm and corresponds to 1/6th of wire wrapping pitch. The experimental parameters were power of the heater pins. The heater power was varied from 14% to 43% of the maximum linear heat rate of a real reactor (420W/cm). The flow rate in the subassembly was set at 430 l/min corresponding to 93% of the Reynolds number in a fuel subassembly of real reactor under full power condition. The experimental results showed that the highest temperature was measured on the pin surface covered by the blockage and faced to the subchannel which was surrounded by the blockage. The height of peak temperature point was nearly top of the blockage. lt means that the temperature field in the blockage is influenced by flow filed in the blockage significantly. The non-dimensional temperature profile in the blockage and in the pin bundle is independent on heater power.