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プレナム内温度成層化現象に関する実験研究 - 多次元熱流動解析による成層界面上昇速度の評価 -

Experimental study on thermal stratification phenomena in reactor vessel in fast reactors; Evaluation of rising rate of straticication interface using multi-dimensional thermal-hydraulic code

木村 暢之; 西村 元彦; 林 謙二; 上出 英樹

Kimura, Nobuyuki; not registered; not registered; Kamide, Hideki

高速炉のスクラム時に発生する原子炉容器上部プレナム内の温度成層化現象は、原子炉容器構造材に熱疲労を生じさせ、構造健全性を低下させる可能性がある。上部プレナム内温度成層化現象の発生条件、成層界面形成位置、成層界面上昇速度、界面での温度勾配等を定量的に把握し、実機設計に反映することは非常に重要である。そこで、PLANDTL-DHX試験装置を用いたナトリウム試験に関して、多次元熱流動解析コードAQUAを用いた二次元解析を実施し、温度分布、界面形成位置、界面上昇速度等を実験結果と比較することにより解析コードの検証を行った。ナトリウム試験では、リチャードソン数(Ri)とレイノルズ数(Re)をパラメータとして、界面上昇速度などへの影響が把握されており、この点について解析による予測を試みた。AQUAコードの乱流モデルとしては、代数応力方程式モデル(ASM)を使用した。また、ASMとの比較として、k-$$epsilon$$2方程式乱流モデルを使用した解析を1ケース実施した。その結果、Ri数が大きいケースでは、上部プレナム内温度分布の過渡変化、および界面上昇速度について、実験と解析は良く一致した。一方、Ri数が小さいケースでは、界面下端における温度勾配が、解析値が実験より鈍るために、上部プレナム内温度分布および界面上昇速度の模擬度が低下した。しかしながら、Ri数が小さくなるにつれて界面が高い位置で形成されているという実験の傾向についてはASMを用いた解析により模擬できた。また、ASMとk-$$epsilon$$モデルによる解析結果を比較すると、上部プレナム内温度分布および界面形成位置において、ASMによる結果が、実験を良く模擬していることが明らかとなった。

In a fast reactor, the thermal stratification phenomena occur in thc reactor vessel when a scram shutdown is imposed. The thermal stratification phenomena can induce thermal fatigue in structural components in the reactor vessel. It is necessary for designs of real reactors to quantify an occurrencc condition, a position, a rising velocity and a temperature gradient of the stratification interface. To study the thermal stratification phenomena, sodium experiments were performed using PLANDTL-DHX facility. Also, two dimensional analyses were carried out using a multi-dimensional thermal-hydraulic code AQUA with an algebraic stress turbulence model and compared to the sodium experiments. Influence of Richardson (Ri) and Reynolds (Re) numbers were cxamined by experiments and calculations. In the cases of high Ri, the calculated temperature distributions were in good agreements with the cxperimental results. In the cases of low Ri, on the other hand, the analyses had milder temperature gradients in the stratification interface, compared to the experiments. The analyses, however, could simulate the trend; the level of the interface rises with decreasing Ri. The analysis using k-$$varepsilon$$ two equation turbulencc model was also carried out. The ASM could simulate the cxperimental temperature distributions and thus the level of the interface better than the k-$$varepsilon$$ two equation turbulence model.

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