鉛-ビスマス冷却自然循環炉の熱流動特性解析

Thermal-hydraulic Analysis for the LBE-cooled natural circulation reactor; Development of the MSG-COPD code and application to the system analysis

岩崎 隆*; 堺 公明; 江沼 康弘  ; 水野 朋保

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サイクル機構では、高速増殖炉の実用化戦略調査研究として、多様な冷却材を対象とした幅広い実用化像に関する設計研究を進めている。 そのフェーズI研究(H11H12)の中で、冷却材の一つの候補として、重金属である鉛-ビスマスの検討が実施された。鉛-ビスマスは比較的自然循環特性にすぐれるとともに水と急激に反応しないことから、自然循環による 2次系を削除したタンク型炉が有望と評価された。本研究では、鉛-ビスマスを冷却材とするタンク型の自然循環炉について、プラント動特性及び炉心再流量配分特性を評価するために、 既存の多次元蒸気発生器解析コード(MSG)とフローネットワーク型のプラント動特性解析コード(Super-COPD)を結合し、統合型プラント動特性解析コード(MSG-COPD)を開発した。プラント動特性解析として、米国アルゴンヌ国立研究所にて設計研究が進められているSTAR-LM炉を対象として、 起動解析及びスクラム失敗時の徐熱源喪失解析を実施した。また、サイクル機構にて概念設計研究が実施された鉛-ビスマス冷却自然循環中型炉を対象として、設計上の重要な課題となっているホットチャンネルの再流量配分係数の定量化を実施した。その結果、プラント動特性解析では、自然循環炉の核特性を考慮した起動から定格定常状態の評価、徐熱源喪失時のスクラム失敗事象の評価に適用できることを確認した。さらに、徐熱源喪失時のスクラム失敗事例では、下部プレナムに鉛-ビスマスが対流することが判明した。また、再流量配分特性解析では、浮力による炉心再流配係数を径方向ピーキング係数及びシステムの圧力損失との関係で整理した評価手法の妥当性について検証した。さらに、炉心再流配係数は、初装荷炉心と末期炉心の出力分布形状の相違による影響は小さく、局所の径方向ピーキング係数値に依存した傾向を示すこと等を確認した。

Thermal-hydraulic analysis for the Lead-Bismuth eutectic (LBE)-cooled natural circulation reactor has been conducted by using a combined plant dynamics code (MSG-COPD). MSG-COPD has been developed to consider the multi-dimensional thermal-hydraulics cffect on the plant dynamics during transients. Plant dynamics analyses for the LBE-cooled STAR-LM reactor, which has been designed by Argonne National laboratory in U.S.A., have been performed to understand the basic thermal-hydraulic characteristics of the natural circulation reactor. As a result, it has been made clear that cold coolant remains in the lower plenum by the thermal stratification in case of the ULOHS condition with a severe temperature gradient at the stratified surface in the lower plenum. In addition, the flow-redistribution effect in a core channels by the buoyancy force has been evaluated for a candidate LBE-cooled FBR plant concept (LBE-FR), which has been designed by JNC. A linear evaluation method for the flow-redistribution coefficient is proposed for the LBE-FR, and compared with the multi-dimensional results by MSG-COPD. In conclusion, the method shows sufficient performance for the prediction of the flow-redistribution coefficient for typical lateral power distributions in the core.