熱過度応力解析へのGreen関数法の適用範囲の拡張-ナトリウム冷却炉の中間熱交換機内部構造に生ずる熱過度応力の記述-

Extension of applicability of green function method to thermal transient stress analysis (2); Responsive stress to two thermal fluids of varying flow-rate

田中 良彦; 笠原 直人

Tanaka, Yoshihiko; kasahara, Naoto

高速炉機器の過渡熱応力に対する構造設計の合理化を目的として、流動-構造解析を統合して行うことのできるツールである過渡熱応力リアルタイムシミュレーションコードPARTS(Program for Arbitrary Real Time Simulation)の開発が進められている。現状、PARTSの応力解析手法としてはGreen関数法を主として用いている。Green関数とは、ある系における入力と応答の関係を記述する関数である。応答は、厳密には入力と系の2つの性質で決まる。しかしながら、基本的でかつ容易に応答が求まる入力(例:パルス波形入力やステップ波形入力等)を使って系の性質を適切に抜き出した関数を設定することができれば、その関数を用いて一般的な入力に対する応答を近似的に計算することができる。この計算方法をGreen関数法と称する。Green関数法を過渡熱応力の計算に適用する場合、構造物中に発生する過渡熱応力を冷却材のステップ温度変化に対する応答の畳み込み積分という形で算出することになる。構造内部の応力とひずみの釣合い式を逐一計算する有限要素法と比較して、計算時間の短縮が期待できる。将来、Green関数法をプラント機器の構造設計に反映するためには、プラントで想定される条件に対するGreen関数法の適用性を確認しておくことが必要である。著者らはこれまでに、一定熱伝達率の下で、1つの流体が接する構造に対して定義されていたGreen関数を、段階的に変化する熱伝達率の下で、2系統の流体に接する構造に適用できるように拡張し、内面及び外面が別系統の流体に接する円筒構造への適用性を確認している。本報では、形状が複雑で、独立した2系統の冷却材の熱過渡を同時に受け、熱伝達率が経時的に変化する条件のプラント機器の構造設計に対するGreen関数法の適用性を検討した。例として、実用化戦略調査研究の有望概念であるアドバンストループ式ナトリウム炉の中間熱交換機の内部構造を選定し、同構造に生ずる熱過渡応力をGreen関数法で計算した。計算結果を有限要素法による解析結果と比較したところ両者は良く一致し、Green関数法はプラント機器の構造設計にも適用できることが確認された。

PARTS, Program for Arbitrary Real Time Simulation is being developed: it is cxpected to make great contribution to fast reactor components' design by enabling integration of thermal hydraulic and structural analysis. At this moment, the Green function method is mainly used as a stress analysis method for PARTS. The Green function is a description of the relationship between input and response of a system. Strictly, the response depends only on the natures of the input and the system. However if a function precisely simulating their natures is established based on the response to elemental inputs (pulse wave, step wave, etc.,), it becomes possible to find approximate responses to random and/or complicated inputs. This procedure is called "Green function method". This method is applicable to structural design of the fast reactors. Green function method finds thermal transient stress arising in structures in the form of convolute integration corresponding to coolant fluids' step-changes of temperature. It is expected to calculate faster than Finite Elemental Method (FEM) that solves innumerable balance equations of stress and strain at every time step. In order to apply the Green function method to actual plant design in near future, it is necessary to prove that the method gives appropriate results even under the conditions assumed in plant design works. The authors have successfully developed the Green function method which had been applicable only to a cylinder contacting with sole fluid under constant thermal transfer rate into the one being applicable to a cylinder with primary and secondary fluids under step-changing thermal transfer rates. In this report, applicability of Grecn function method to structural design of a components of complicated shape cxposed to thermal transients of the two independent coolant systems under changing heat transfer rate. As an example, the internal components of the intermediate heat exchanger (IHX) of the advanced loop ...