Numerical study on passive control of thermal striping phenomenon using Lorentz force in fast reactor

高速炉のサーマルストライピング現象に対するローレンツ力を利用した受動制御に関する解析的研究

高田 孝*; 福田 武司*; 山口 彰; 内堀 昭寛 ; 木村 暢之; 上出 英樹 

Takata, Takashi*; Fukuda, Takeshi*; Yamaguchi, Akira; Uchibori, Akihiro; Kimura, Nobuyuki; Kamide, Hideki

高速炉の配管には温度差のある液体ナトリウムが合流する部分が存在し、合流部より下流で乱流混合に伴う周期的な温度変動が配管壁面に伝わるサーマルストライピング現象が配管構造材の熱応力疲労の原因となり問題視されている。液体ナトリウムは電磁流体であることから、磁場を印加するとローレンツ力が発生し、その効果により温度変動を緩和することができると期待される。そこで本研究では、磁場解析手法を組み込んだLES解析コードを新たに開発し、磁場印加による温度変動の緩和効果を確認するため、合流部の存在する流路を対象に数値解析を実施した。合流部より下流で磁場を印加する場合としない場合の解析をそれぞれ実施し、その結果から、流体が磁場を通過した後に温度変動は抑制されることがわかった。これにより、磁場印加による熱疲労緩和方策の有効性を示した。

Liquid sodium, used as a coolant of fast reactor (FR), is an electromagnetic fluid. When a magnetic field is embedded to liquid sodium flow, the Lorentz force will be induced and flow structure such as a turbulent mixing phenomenon will be influenced. In a FR piping system, thermal fatigue is one of key issues that may be occurred after a piping junction of different fluid temperature. In the present paper, a numerical study of sodium flow induced by the Lorentz force on a turbulent mixing after the junction has been carried out. The large eddy simulation (LES) coupled with the electromagnetic field analysis is used for this purpose. The numerical results showed that the temperature fluctuation due to turbulent mixing weakens after it runs through the magnetic field caused by the Lorentz force and thus the thermal fatigue will be suppressed. Accordingly, it is concluded that the passive control of the thermal fatigue will be possible by adding the magnetic field.