数値解析による自由液面からのガス巻込み評価手法に関する研究; 評価指針(第1次案)の提案

Study on design method for gas entrainment prevention from a liquid surface based on a computational fluid dynamics method; 1st proposal of the design guideline

堺 公明; 伊藤 啓; 内堀 昭寛 ; 木村 暢之; 江連 俊樹 ; 上出 英樹 ; 大島 宏之

Sakai, Takaaki; Ito, Kei; Uchibori, Akihiro; Kimura, Nobuyuki; Ezure, Toshiki; Kamide, Hideki; Ohshima, Hiroyuki

日本原子力研究開発機構は、高速増殖炉サイクル実用化戦略調査研究の一環として、ナトリウム冷却高速炉の概念検討を進めている。実用化のためのプラントシステム概念は、経済性向上のために出力に比してコンパクトな炉容器を指向している。そのため、既存の概念と比較して炉容器内の流速が相対的に大きくなり、自由液面からのカバーガスの巻込みについてより精度の高い設計評価を行うことが重要となっている。カバーガスの巻込みは、炉心出力の変動,除熱性能劣化などの原因となり得るため、発生しないことを十分な余裕をもって示す必要がある。実機定格条件においてガス巻込みが発生しないことは、実規模に近い水試験(1/1.8縮尺部分モデル)によってほぼ確認されているが、大規模なナトリウム試験を実施するためには大きな投資が見込まれることから、数値解析によってガス巻込みを評価する手法の確立が望まれている。そこで、大学,研究所,電力,メーカの専門家で構成するワーキンググループを設置し、くぼみ渦によるガス巻込み現象について設計で参照すべき数値解析に基づく指針案の構築を行うこととし、平成14年から約4か年実施した。本指針は、第1次案の提案としてワーキンググループの研究成果をまとめたものである。

Japan Atomic Energy Agency has conducted a conceptional design study of a sodium-cooled fast reactor in a frame work of the FBR feasibility study. The plant system concept for a commercial step is intended to minimize a vessel diameter to achieve an economical competitiveness. Therefore, the coolant in the vessel has relatively higher velocity than conventional designs. Because of the high velocity, gas entrainment prevention from a liquid surface in the reactor vessel becomes one of important issues for the thermal-hydraulic design. Gas entrainment may cause the core power fluctuation or heat transfer reduction. Therefore, it is necessary to clarify the avoidance of the phenomena in the design conditions with sufficient allowance. The prevention of gas entrainment phenomena was prospectively confirmed by a 1/1.8 scale model water experiment. The large scale sodium experiment, however, needs very high costs to validate the design. The design method by a utilization of a computational fluid dynamics (CFD) method is one of possible choices for the gas entrainment prevention design. In this study, the gas entrainment prevention from vortex dimples at the liquid surface was investigated by a working group that consists of members from Universities, Research institutes, Utilities and Manufacturers, in order to establish a design method for the gas entrainment prevention by a CFD method. The research work was commenced from 2002 and performed for four years. This report is the first proposal of the design guideline for the gas entrainment prevention using CFD methods, from the achievements of the working group activity.