Thermal-hydraulic tests with out-of pile test facility for BOCA development

BOCA開発のための炉外試験装置における熱流動試験

北岸 茂  ; 青山 征司; 飛田 正浩; 稲葉 良知  ; 山浦 高幸 

Kitagishi, Shigeru; Aoyama, Masashi; Tobita, Masahiro; Inaba, Yoshitomo; Yamaura, Takayuki

軽水炉の高度利用や長期利用のために、JMTRでは、新型軽水炉燃料の出力急昇試験が計画されている。この試験では、OSF-1に装荷したキャプセルを使用して、出力急昇条件における燃料のふるまいを調べることを目的としている。出力急昇試験で使用される自然対流型キャプセルは、88型BWR燃料の試験経験がある沸騰水キャプセル(BOCA)をもとに設計・製作が行われている。88型BWR燃料の被覆管の外径は12mmである。一方、出力向上のために、新型軽水炉燃料の被覆管の外径は9.5mmに変更される。このため、最高線出力600W/cmにおける熱流束が限界熱流束に近づき、核沸騰から膜沸騰に遷移する可能性がある。本研究では、照射試験に先立ち、キャプセルを模擬し、試験燃料棒に替えてヒーターピンを用いた炉外試験装置を設計・製作し、試験の実現性を確認するため熱流動試験を行った。さらに、キャプセル内の熱流動現象を把握するために、改良した数値解析コードACE-3Dを用いて、熱流動試験を模擬した解析を行った。実験及び解析結果より、JMTRで外径9.5mmの燃料を用いた出力急昇試験は線出力600W/cmまで実現可能な見通しを得た。

For the up-graded use and the lifetime extension of LWRs, the JMTR has a plan of power ramping tests on new design LWR fuels. The purpose of the power ramping tests is to evaluate the fuel behavior during power ramping condition using a capsule inserted into the OSF-1. The design and fabrication of the natural convection capsule used in the power ramping tests has been carried out based on BOCA, which had experience on power ramping tests of 88 BWR fuels. The outer cladding diameter of 88 BWR fuels is 12 mm. On the other hand, for a high power, the outer cladding diameter of the new design LWR fuel is changed to 9.5 mm. And, there is potential for transition from nucleate boiling to film boiling because the heat flux of the peak linear power 600 W/cm in the tests approaches the critical heat flux. In this study, prior to the irradiation tests of the fuels, the out-of pile test facility, which had a heater pin instead of a test fuel pin, was designed and fabricated to simulate the capsules used in power ramping tests, and thermal-hydraulic tests were carried out using the out-of pile test facility. In addition, in order to investigate the thermal-hydraulic behavior in the capsule, the out-of pile tests were simulated numerically using the improved analysis code ACE-3D. From these experimental and analytical results, it was found that the power ramping tests with fuels with their outer cladding diameters of 9.5 mm are able to be realized up to linear power 600 W/cm in JMTR.