サーマルストライピング現象の熱流動に関する実験研究; 平行三噴流体系を用いたナトリウムおよび水の温度変動特性の比較

Experimental Study on Thermalhydraulics in Thermal Striping Phenomena; Comparison of Temperature Fluctuations between Sodium and Water

木村 暢之; 三宅 康洋*; 宮越 博幸; 長澤 一嘉*; 五十嵐 実; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Miyake, Yasuhiro*; Miyakoshi, Hiroyuki; Nagasawa, Kazuyoshi*; Igarashi, Minoru; Kamide, Hideki

高速炉において、温度の異なる流体が混合し、その際に発生する温度変動が構造材へ伝わることにより、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)の評価手法を確立することは重要である。サーマルストライピング現象の評価において、流体中での温度変動特性、流体から構造材への温度変動の伝達特性、構造材中の温度変動の伝播特性を取り込んだ上で、構造健全性を評価することで、安全性担保と合理的な設計が可能となる。 高速炉の冷却材として検討されているナトリウムに比べ、一般産業で多く使用される水では、熱伝導率が約1/100であることから、温度変動特性が異なると考えられる。そこで、本研究では、3本鉛直壁噴流体系のナトリウム試験と水試験をほぼ同一の寸法形状で実施し、ナトリウムと水の物性の違いによる噴流間混合現象への影響を評価した。試験パラメータとしては、水試験をリファレンスとし、ナトリウム試験において、流速を同じにしたケースとRe数を同じにしたケースの2ケース行った。また、噴流の混合形態の異なる条件として3本の噴流の吐出速度が等速条件、非等速条件、ならびに1本の噴流の流速をゼロとした2噴流条件の3パターン実施した。 その結果、各噴流条件ともナトリウムの方が水に比べて、噴流間の流体混合が発生する領域が下流側になることが明らかとなった。また、温度変動のパワースペクトル密度(PSD)は、流速一致条件でナトリウムと水の結果が一致した。壁面近傍では、水に比べて、ナトリウムの温度変動のPSDは低周波数成分側が小さくなることがわかった。構造材の疲労損傷を評価する上で重要な変動の振幅とその頻度を分析する上で、流体温度変動の波形分析(レインフロー法)を行った結果、全体的な傾向はナトリウムと水で一致した。 これらのことから、温度変動の空間分布、周波数および振幅に関して、同一寸法形状、流速一致条件での水試験により得られた結果を使用して実機を評価できる見通しが得られた。

A quantitative evaluation on thermal striping, in which temperature fluctuation due to convective mixing causes high cycle thermal fatigue in structural components, is of importance for structural integrity and reactor safety.Thermal conductivity of sodium is approximately 100 times larger than that of water. Thus, temperature fluctuation characteristics will be different between sodium, which is used as a coolant of a fast reactor, and water, which is used in general industries. In this study, a comparison of convective mixing among jets was performed in parallel triple wall jets with the same geometries between sodium and water. The discharged velocity in the sodium experiment was experimental parameter and set at the same velocity and the same Reynolds number in comparison with the water experiment. And also, the velocity ratio among the triple jets was varied to change flow pattern. It was seen that the water jets were mixed in slightly closer region to the nozzle than in sodium jets. As for the power spectrum densities (PSD) of temperature fluctuation, the PSD of sodium was similar to the PSD of water under the same discharged velocity condition. At the neighborhood of the wall, the lower frequency component in the PSD of sodium decreased in comparison with the PSD of water. It was shown that the amplitude and frequency characteristics obtained by rain-flow method, which was important to evaluate structural damage by the thermal fatigue, were identical between sodium and water overall. These experimental results show that water experiment could simulate the frequency and the amplitude in temperature fluctuation characteristics in the sodium cooled reactor.