Experimental study on gas entrainment at free surface in reactor vessel for a compact sodium cooled fast reactor; Evaluation of dominant factors and mechanism for gas entrainment in large scale partial model

ナトリウム冷却高速炉の原子炉容器内自由液面でのガス巻込みに関する実験研究; 大規模部分モデルによるガス巻込みの支配因子及びメカニズムの解明

木村 暢之; 江連 俊樹 ; 飛田 昭; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Ezure, Toshiki; Tobita, Akira; Kamide, Hideki

ナトリウム冷却高速炉では、経済性向上を図るためプラントシステムのコンパクト化として、原子炉容器径に対する炉出力の増加を検討している。炉出力増加に伴い、冷却材の流速が上昇するため、原子炉容器内の自由液面からカバーガスを巻込むことが懸念されている。そこで、自由液面の下方に水平板(ディッププレート、D/P)を設置することで、液面近傍の流速低下を図ることとしている。ガス巻込み現象に対し、発生が懸念されている箇所を部分的にモデル化した装置により、試験を実施した。本試験では、液位や流速をパラメータとして、ガス巻込み発生条件マップを作成し、それによってガス巻込みの支配因子の抽出を行った。ガス巻込みは、大きく分類して2つのパターンで発生し、いずれも実機設計定格条件より大きく離れていた。一つは、周方向流速(水平流速)が大きくなることによって、コールドレグ配管の後流で発生する渦に起因して発生するものであり、もう一つは、下降流速の増加及び液位の低下によって、H/L配管と炉容器壁の間の領域で発生するものであった。これらについて、PIVを適用し、詳細な流速計測を行うことにより、発生メカニズムを解明した。

For innovative sodium cooled fast reactor, a compact reactor vessel (R/V) is designed to reduce the construction cost, where sodium flow velocity increases. One of the thermal hydraulic issues in this design is gas entrainment (GE) at a free surface in the R/V. Horizontal plates are set below the free surface to prevent the GE. A water experiment was performed using a partial model with large scale. The objective is to investigate occurrence conditions and the mechanism of the GE. It was found that there were two kinds of the GE and the occurrence conditions were far from the reactor condition. One of the GEs occurred at the wake region of the cold leg pipe due to larger horizontal velocity. Other one broke out at the region between the hot leg pipe and the R/V wall when the coolant level was low and the downward velocity was high. The mechanisms of the GE at the two regions were clarified by the detailed measurement of flow velocity field.