1/1.8縮尺部分モデルによる原子炉容器内ガス巻き込み特性の評価, ガス巻き込み現象の把握

Water experiment on gas entrainment in reactor vessel using 1/1.8th scaled model, Gas entrainment in large scaled model

木村 暢之; 飛田 昭; 小林 順 ; 中山 王克; 伊藤 真美*; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Tobita, Akira; Kobayashi, Jun; Nakayama, Oukatsu; Ito, Masami*; Kamide, Hideki

核燃料サイクル開発機構では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の検討を行っている。その設計では、経済性向上を図るためシステムのコンパクト化を図っており、炉容器径に比較して炉出力が増加している。このため冷却材の流速が上昇し、液面からのガス巻き込みが懸念されている。そこで、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(D/P)と呼ぶ水平板を液面の下方に設置することとしている。 このような液面からのガス巻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1/10縮尺モデルを用い、炉上部プレナム水流動試験を実施している。しかし、ガス巻込み現象に関しては実機に対する試験体の縮尺比が小さいほど、発生限界を非保守的に評価する懸念がある。そこで、縮尺比1/1.8の水流動試験体を製作し、ガス巻込み現象を把握した。1/1.8縮尺水流動試験体では、ガス巻込み発生の要因となる下降流速が顕著な出口配管(ホットレグ配管)を中心とする90度セクター、D/Pから液面までをモデル化した。D/P隙間部の流れ、およびD/P上部の周方向流れは、独立して流量を設定できるようにし、ガス巻込み発生限界をメカニズムを含めて把握できる構造とした。モデル境界の流速条件は、1/10縮尺炉上部プレナム試験により得られた結果を実機に外挿することにより与えた。ガス巻込みの発生は可視化によって確認した。 設計形状の体系(D/Pを2段で構成)では、定格時に予測される流速条件で、D/Pからの液位が定格時の液位の4%から100%の範囲でガス巻き込みの発生は見られなかった。D/Pを1段とした場合との比較から、D/Pを2段にすることで局所的な下降流速のピークを低減する効果があることがわかった。 以上により、本体系の原子炉容器についてガス巻込み抑制の見通しが得られた。

An innovative sodium cooled fast reactor has been investigated in a frame work of the FBR feasibility study. A compact reactor vessel is designed to reduce the construction cost, where sodium flow velocity increases. One of the thermal hydraulic issues in this design is gas entrainment at free surface in the reactor vessel. Dipped plates (D/P) are set below the free surface in order to prevent the gas entrainment.We performed an 1/10th scaled model water experiment for the upper plenum of reactor vessel and flow optimization was done to reduce flow velocity near the free surface. However, previous studies showed that the gas entrainment depends on model scale. Then an 1/1.8th scaled model was also planned to confirm the phenomena in an enough large model. As a test section, 90 degree sector and region between the free surface and the D/P was modeled by 1/1.8th scale. Boundary conditions at D/P gaps and radial cross sections of sector ends were obtained by the 1/10th scaled full sector model. The gas entrainment was not observed in the model under the velocity condition of reactor full power operation at water levels higher than 4% of the normal height from the D/P. It is shown that the gas entrainment will be eliminated in the reactor vessel according to the current design approach.