高速炉の自然循環時のインターラッパフロー現象に関する実験研究;炉心冷却効果と自然循環流量低減効果の評価

Experimental study on inter-wrapper flow phenomena during natural circulation decay heat removal in fast reactors; Effects on natural circulation flow rate and Core cooling

桃井 一光; 林 謙二; 上出 英樹; 西村 元彦; 小柿 信寿

Momoi, K.; Hayashi, Kenji; Kamide, Hideki; Nishimura, Motohiko; Kokaki, Nobuhisa

高速炉の崩壊熱除去系として原子炉容器の上部プレナム内に冷却器(DHX)を設けるDRACS(Direct Reactor Auxiliary Cooling System)を採用した場合、DHXからの低温ナトリウムが炉心部の集合体間ギャップに潜り込み自然対流するインターラッパーフロー(IWF)が発生し、集合体内部をギャップ側から冷却し、炉心最高温度を低下させる効果が期待できる。その反面、DHXからの低温ナトリウムが上部プレナム底部に成層化し、更にIWFによる冷却で炉心部上部非発熱部の温度低下により、自然循環流量が減少して炉心部温度を上昇させることも考えられる。DRACSを採用する上では、IWFの冷却特性を把握しその有効性を明確にする必要がある。本報では、IWFの炉心冷却特性を自然循環状態下で把握する為、PLADTL-DHX装置による自然循環定常ナトリウム試験を実施した。熱出力および一次系ループの流動抵抗を主弁開度で変化させ、DRACS除熱でIWFを発生させたケースとPRACS(冷却器をIHX上部に内蔵する方式:Primary Reactor Auxiliary CoolingSystem)除熱でIWFが発生しないケースの自然循環流量および模擬炉心部温度を比較した。PRACSで除熱した場合に対するDRACSで除熱した場合の自然循環流量の低下は、周辺集合体通過流量で大きく現れ、中心集合体通過流量では小さい。これは、IWFによる冷却が中心集合体よりも周辺集合体で強く作用し、浮力ヘッドの違いから集合体間で流量が再配分されたと考えられる。また、一次系ループの主弁開度を15%以下にしてDRACSで除熱したケースでは、一部の周辺集合体で逆流が発生した。DRACSで除熱した場合には、自然循環流量の熱輸送による除熱の他に、IWFによるギャップ部からの冷却と逆流の発生により温度が低下した周辺集合体からの冷却が中心集合体に対して径方向から作用する。径方向からの冷却効果は自然循環流量が1.5%(実機定格比率)以下になってから顕著に作用し、中心集合体最高温度を低下させる。DRACSを用いた場合では、循環流量による除熱が期待できない様な自然循環流量が極めて少ない場合の炉心冷却に対して、IWFを含む炉内自然対流による径方向からの冷却効果が有効に作用することを確認した。

The evaluation of core thermohydraulics under natural circulation conditions is of significance in order to utilize passive safety features of fast reactors. When the heat exchangers of the decay heat removal system are operated in the upper plenum of a reactor vessel, cold sodium provided by the heat exchangers can penetrate into the gap regions between fuel subassemblies; thiS natural convection phenomenon is called inter-wrapper flow (IWF). During natural circulation decay heat removal, IWF will significantly modify the flow and temperature distributions in the subassemblies. IWF can decrease the temperature in the subassemblies. On the other hand, the natural circulation head will be reduced by temperature reduction in the upper non-heated section of subassemblies due to the IWF cooling. These positive and negative effects of IWF are our main concerns in this report. Sodium experiments were carried out to investigate these phenomena. In a test section, seven subassemblies are bundled and connected to an upper plenum with a heat exchanger. The experiments were carried out under steady state conditions. Experimental parameters were power in the core and flow resistance in the primary loop. Decrease of natural circulation flows in the subassemblies were recognized. Inter-subassembly flow redistribution was also seen due to larger cooling in outer 6 subassemblies and smaller cooling in the center subassembly. In the extremely low flow conditions (large flow resistance in the primary loop), reverse flow was registered in 2 or 3 outer subassemblies. Cooling effect of IWF was also observed. It consisted of direct cooling through the wrapper tube, flow redistribution among subassemblies (higher flow rate for hotter subchannel), and cold reverse flow from the upper plenum. When the flow resistance was small in the primary loop, i.e., flow rate was larger than 1% of reactor rated conditions (based on subassembly averaged flow velocity), the cooling effects and ...