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炉容器コンパクト化に関する流動特性試験; 炉内流況の把握と流動適正化方策の考案

Hydraulic experiment for compact reactor vessel; Measurement of flow field and flow optimization in upper plenum

木村 暢之; 林 謙二; 伊藤 真美*; 関根 正*; 五十嵐 実; 佐藤 博之; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Hayashi, Kenji; Ito, Masami*; Sekine, Tadashi*; Igarashi, Minoru; Sato, Hiroyuki; Kamide, Hideki

FBR実用化戦略調査研究の一環として、ナトリウムを冷却材とした高速炉が検討されている。本炉においては、物量を削減して経済性を大幅に向上させるために、徹底したシステムの簡素化・コンパクト化が進められており、具体的には、プレナム径に対する炉出力の増加、燃料交換システム簡素化に伴う切り込みを有するUIS構造の採用などが挙げられる。これらによって懸念される流動現象としては、自由液面からのガス巻き込み現象、高流速化に伴うキヤビテーション、流力振動、熱過渡などがある。設計では、炉心出口からの流れが直接液面に到達しないように、ディッププレートと呼ばれる水平板を液面の下方に設置し、ガス巻き込みの抑制を図ることを検討している。そこで、液面からのガス巻き込み防止を含む炉上部プレナム内の流況を適正化することを目的に、主な構造物を全て模擬した実体系1/10スケールの炉上部プレナム水流動試験装置を製作し、試験を実施した。流況把握は、可視化、超音波流速計、粒子画像流測定法を用いて行った。実機流速一致までの条件で液面からの連続的なガス巻き込みは発生せず、ディッププレートの有効性が確認できた。しかしながら、UIS切り込み部の正面位置での液面は激しく揺動し、液面に向かう流速が大きいことがわかった。また、H/L配管吸い込み部では気泡を伴う水中渦が確認され、キヤビテーション係数を用いて評価すると、実機で発生する可能性があることが確認された。上記課題の解決策として、流れを整流するスプリッタを設置することで、実機キャビテーション係数一致条件での水中渦の発生が防止できることを確認した。また、燃料交換機が設置される個所にプラグを挿入することで、液面に向かう流れが抑制できることを確認した。以上の方策により、コンパクト化した原子炉容器について、流動現象の面から成立性の見通しが得られた。

An innovative sodium cooled fast reactor has been investigated on the FBR feasibility study. The design of the reactor is undergoing in order to reduce the construction cost of the reactor. For example, thermal output is increased against the reactor size and an upper inner structure (UIS) has a slit for the arm of the fuel-handling machine to simplify the fuel exchanging system. The dipped plates (D/P) are set below the free surface to prevent gas entrainment at free surface. We performed an 1/10th scaled model water experiment for the upper plenum of reactor vessel and investigated flow fields in the plenum in order to optimize flow. In the upper plenum, all of main components were set up as well as the reactor design. In addition, the D/P has a hole in front of the slit of the UIS to insert the fuel handling machine(FHM). As the experimental parameters, the core outlet velocity was varied from the condition of the Froude number similarity to the same value as the real reactor. The local velocity was measured by the particle image velocimetry and the ultrasound Doppler velocimetry. In the experimental results, gas entrainment at the free surface was not observed in the range from the Froude number similarity condition to the same velocity condition as the real reactor. However, the free surface was bulged on a large scale in front of the UIS slit. At the neighborhood of the H/L intake, three vortex cavitations were observed. The vortex cavitations were broken out under the same cavitation coefficient condition based on the H/L velocity as that in the real reactor. A vertical rib was set on the reactor vessel wall near the H/L inlet to restrict the rotating flow at the neighborhood of the H/L. As the result, the vortex cavitation at the region between the reactor vessel wall and the H/L was supressed under the same cavitation factor condition as the real reactor. A vertical cylinder, named FHM plug, was installed to close the hole in the D/P fbr FHM.

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