粒子法の化学反応を伴う流動様式への適用性評価解析

A feasibility study of the particle interaction method for the flow regimes with the chemical reaction; (Report under the contract between JNC and Toshiba Corporation)

白川 典幸*; 堀江 英樹*; 山本 雄一*; 松宮 壽人*

Shirakawa, Noriyuki*; not registered; not registered; not registered

伝熱流動数値実験によって、化学反応を伴う伝熱流動が高速炉を構成する機器に及ぼす影響を評価するには、反応の発生箇所近傍だけでなく機器全体を解析対象とする必要がある。そのため、計算負荷の観点から微視的な解析手法を直接用いることができない。このため、使用する熱流動解析コードには、化学反応によって生じる多相・多成分の反応性流体の挙動をモデル化し、相関式として組み込まなければならない。反応性流体の化学反応の量は反応する相間の境界面積に依存し、この面積は界面の形状によって大きく変化する。しかし、ナトリウム-水反応のように化学反応を伴う系については、これに関する実験的知見もないのが現状である。そこで本件では、微視的解析手法である粒子法を用いて、多相・多成分・反応性流体の挙動を機構論的に解析し、流動様式や境界面積に関する知見を得ることを最終的な目的とする。本年度は、粒子法を用いて水・ナトリウム反応を扱うための第一段階として、液体ジェットが他の液体プールに噴出する際の流体力学的挙動への粒子法の適用性を検討することを目的とした。このため、文献調査によりジェット流動様式のメカニズムを検討するとともに、ここでの目的に合致する、「ガソリンプールに水を噴出させる実験」を選び、解析した。また、蒸気発生器内部の伝熱管水リーク事故では管群内のジェット流を解析する。このような複雑体系への本手法の適用性を検討するため、蒸気発生器安全性総合試験(SWAT/Run19試験)を例として化学反応を含まない流体力学のみの予備解析を実施した。その結果、伝熱管群を含む複雑体系においても、高速ジェット流とプール流体との相互作用を考慮した流動挙動への適用性が確認できた。さらに、今後扱うべき現象のモデリングについて検討し、相変化と化学反応経路を選定し定式化を行った。水の相変化は伝熱律速モデルに基づき、化学反応は水・水素転換率をパラメタとした一括反応モデルに基づいている。また、コード構成についても概念設計を行った。

The numerical thermohydraulic analysis of a LMFR component should involve its whole boundaly in order to evaluate the effect of chemical reaction within it. Therefore, it becomes difficult mainly due to computing time to adopt microscopic approach for the chemical reaction directly. Thus, the thermohydraulic code is required to model the chemically reactive fluid dynamics with constitutive correlations. The reaction rate denpends on the binary contact areas between components such as continuous liquids, droplets, solid particles, and bubbles. The contact areas change sharply according to the interface state between components. Since no experiments to study the jet flow with sodium-water chemical reaction have been done, the goal of this study is to obtain the knowledge of flow regimes and contact areas by analyzing the fluid dynamics of multi-pahse and reactive components mechanistically with the particle interaction method. For the first stage of the study, the applicability of this method to the nalysis of a liquid jet into the other liquid pool was investigated. Based on the literatures, we investigated the jet flow mechanisms and analyzed the experiment of a water jet into a gasoline pool. We also analyzed SWAT3/Run19 test, the jet flow in a rod bundle, to study the applicability of the method to a complicated boundary without a chemical reaction model. The calculated fluid dynamics was in good agreement with the experiment. Furthermore, we studied and formulated the paths of phase change and chemical reaction, and conceptually designed the adopting the heat-transfer-limited phase change model and the synthesizd reaction model with a water-hydrogen conversion ratio.