サーマルストライピングに関する実験研究; 平行三噴流ナトリウム試験

Experimental study on thermal striping; Sodium experiment of paranel triple jets

木村 暢之; 宮越 博幸; 三宅 康洋*; 五十嵐 実; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; not registered; Miyake, Yasuhiro*; not registered; Kamide, Hideki

高速炉において、温度の異なる流体が混合することにより発生する温度変動が、構造材に伝達することによって、構造材に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量的に評価することは重要である。サーマルストライピング現象を評価する上で、流体の混合による温度変動発生挙動、発生した温度変動の構造材近傍での減衰挙動、流体から構造への温度変動の伝達挙動を明らかにし、温度変動の減衰を取り入れることで、過剰な保守性をもたせることなく、より柔軟で合理的な設計が可能となる。本研究では、流体中で発生する温度変動挙動、流体から構造材および構造材中の温度変動伝達挙動を明らかにするために、平行三噴流ナトリウム試験を実施した。試験は、中央の噴流を低温、左右の噴流を高温に設定し、噴流が壁面に沿って流れる体系で行った。3本の噴流の吐出速度比を固定し、噴流吐出速度を変化させた場合、噴流吐出速度が小さくなるにつれて、壁面近傍での温度変動強度が低下した。また、噴流吐出速度を基にしたStrouhal数により、流体中の温度変動スペクトル密度が整理できることがわかった。また、本試験範囲での流体中での温度変動挙動は、噴流吐出温度差およびバルクの温度に依存してしていなかった。壁面近傍の温度変動強度は、壁面から最も離れた位置での温度変動強度に比べて、8割程度に減少していた。ランダム波による構造材中の温度変動に対しては、単一波の非定常熱伝導方程式の重ね合わせにより予測できることを確認した。この結果を基に、壁面表面に埋め込まれた熱電対の信号から壁面の表面での変動特性を推定した。流体から構造材への温度変動の伝達関数により、温度変動の周波数が高くなるにつれて、流体から構造への温度変動の伝達過程での減衰が大きくなることがわかった。また、噴流の吐出速度が大きくなるにつれて、温度変動の伝達過程での減衰が小さくなることがわかった。また、流体の温度変動は、流体側の条件によらず、周波数の1乗に比例した位相の遅れをもって構造材に伝達されることが明らかとなった。

A quantitative evaluation on thermal striping, in which temperature fluctuation due to convective mixing among jets causes thermal fatigue in structural components, is of importance for reactor safety. It is necessary for quantity of thermal striping phenomena to evaluate occurrence of temperature fluctuation, decay of temperature fluctuation near structures and transfer of temperature fluctuation from fluid to structures. The structural safety is clarified, based on the above information. In this study, a sodium experiment of parallel triple jets configuration was performed in order to evaluate temperature fluctuation characteristics in fluid, tansfer characteristics of temperature fluctuation from fluid to structure and toward inner structure. As for the experimental geometry, a cold jet on center and hot jets on both sides flowed vertically and along the wall. The temperature fluctuation intensity near the wall decreased as the discharged velocity of the jet decreased. The power spectrum density of the temperature fluctuation could be evaluated using Strouhal number based on the discharged velocities of the jets. In this experiment, the temperature fluctuation characteristics were independent of the discharged temperature difference of the jets and the bulk temperature. The temperature fluctuation intensity at the neighborhood of the wall decreased approximate 0.8 times in comparison to that at the furthest position from the wall. The temperature fluctuation in the structure could be predicted by the non-stationary heat conduction equation. Thus, the temperature fluctuation characteristics on the structural surface were predicted based on the measured data in the structure. The decay rate of the temperature fluctuation from the fluid to the structure decreased as the frequency of the temperature fluctuation increased. And the decay rate decreased as the discharged velocity increased. The phase delay of the temperature fluctuation, in which the temperature ...