サーマルストライピング現象の熱流動に関する研究; 構造物との温度変動伝達に及ぼす構造材熱物性の影響

Study on thermal hydraulics in thermal striping phenomena; Effect of structural materials on transfer of temperature fluctuation from fluid to structure

木村 暢之; 長澤 一嘉*; 三宅 康洋*; 小川 博志; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Nagasawa, Kazuyoshi*; Miyake, Yasuhiro*; Ogawa, Hiroshi; Kamide, Hideki

近年の原子カプラントにおいて、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に伝わることにより、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)を原因とする冷却材漏洩事象が散見され、高速炉も例外ではない。その評価手法を確立することは重要な課題となっている。サーマルストライピング現象を評価する上で、流体中の温度変動特性、流体中から構造材への伝達特性、構造材中の温度変動の伝播特性を考慮し、温度変動の減衰を取り込むことで、安全性を確保した合理的な設計が可能となる。本研究では、非定常熱伝達特性に対する構造材の熱物性の影響を評価するために、構造材材質をパラメークとした平行三噴流体系水試験を実施した。流体温度は移動式の熱電対ツリーによって計測し、構造材中の温度は熱電対を埋め込んだ仕切板を噴流の流れ方向に設置することによって計測した。仕切板の材質を、アクリル、SUS316、銅とした試験を実施した。その結果、流体中の温度変動強度は、壁面から離れた位置では構造材の影響は見られないが、壁面近傍位置では、アクリルに比べ、SUS316、銅の金属材の場合に温度変動強度が小さくなる傾向を示し、構造材との熱の授受の影響を受けていることがわかった。また、構造材表面(0.125mm内部)の温度変動強度は、アクリルが最も大きく、SUS316、銅の順に小さくなり、構造材材質の熱拡散率が大きいほど温度変動が小さくなることがわかった。各構造材材質について、流体と構造の温度変動の伝達関数から熱伝達率を求めた。熱伝達率は、銅が最も大きく、アクリルが最も小さくなっており、熱拡散率が大きい構造材ほど熱伝達率が大きくなることがわかった。また、ヌッセルト数とレイノルズ数の関係、および既存相関式の比較結果より、各構造材とも、ヌッセルト数のレイノルズ数依存性は、既存式とほぼ同等であった。

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 reactor safety. The consideration of decay of temperature fluctuation based on the phenomenological mechanism enables a legitimate design with reactor integrity. In this study, we performed a parallel triple-Jet water experiment along a wall. In this experiment, the material of the wall was changed to acrylic resin, type 316 stainless steel and copper in order to evaluate an effect of thermal properties in wall materials on the transfor characteristics of temperature fluctuation from fluid to structure. The fluid temperature was measured by a movable thermocouple-tree and the structural temperature was measured by thermocouples embedded on the wall surface. The effect of the wall material on the temperature fluctuation in fluid was not observed at the further position from the wall. In the vicinity of the wall, on the other hand, the temperature fluctuation intensity in fluid decreased as the thermal diffusivity of the wall material was large. The temperature fluctuation intensity in structure was small as the thermal diffusivity of the wall material was large. For each wall material, the heat transfer coefficient was obtained from a transfer function between fluid and structure temperature fluctuations. It was seen that the heat transfer coefficient was large as the thermal diffusivity of material was large. In this experiment, furthermore, the dependence of Nusselt number on Reynolds number was dose to the existing correlation in every materials.