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Study on eutectic melting behavior of control rod materials in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors, 5; Validation of a multi-phase model for eutectic reaction between molten stainless steel and B$$_{4}$$C

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故時の制御棒材の共晶溶融挙動に関する研究,5; 溶融ステンレス鋼-B$$_{4}$$C共晶反応の多相モデルの検証

Liu, X.*; 守田 幸路*; 山野 秀将

Liu, X.*; Morita, Koji*; Yamano, Hidemasa

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故評価において、原子炉臨界は共晶反応後の反応度変化による影響を受けるため、共晶溶融反応の研究が重要となる。本研究は、高速炉安全評価コードSIMMER-III及びB$$_{4}$$Cを溶融ステンレス鋼(SS)プールに浸漬させる新しい実験を元に開発されたモデルを使った、検証解析の第一段階である。実験による模擬結果から、共晶材料再配置の全体挙動が明らかとなった。共晶反応では固体B$$_{4}$$C及び液体SSを消費し、その後、溶融SSが高温であることから反応の早い段階で液体共晶組成が生成された。溶融プール内で共晶材が動くことで、ホウ素が再分布した。プール内のホウ素濃度は、溶融SSが固体になった後に計測した。模擬結果は、ホウ素が溶融プール上部で堆積する傾向にあることを示しているが、これはプール内でより軽いホウ素に働く浮力によるものである。本研究では、共晶反応挙動の温度感度を調べるためB$$_{4}$$Cペレット及びSSの初期温度を変えて、パラメータ研究も行っている。

Investigation of the eutectic reaction in a core disruptive accident of sodium cooled reactor is of importance since reactor criticality will be affected by the change in reactivity after eutectic reaction. In this study, we performed 1st step of validation analysis using a fast reactor safety analysis code, SIMMER-III, with the developed model based on a new series of experiments, where a B$$_{4}$$C pellet was immersed into a molten stainless steel (SS) pool. The simulation results showed the general behavior of eutectic material formation measured in the experiments reasonably. The eutectic reaction consumes solid B$$_{4}$$C and liquid SS, and then the liquid eutectic composition is produced at the early stage of reaction due to the high temperature of molten SS. Movement of the eutectic material in the molten pool leads to the redistribution of boron element. Molten SS pool then freezes to solid SS and movement of eutectic material is stopped by surrounding solid SS. Boron concentration in the pool was measured after molten SS freezes into a solid. Simulation results indicate that boron tends to accumulate in the upper part of the molten pool. This is attributed to the buoyancy force acting on lighter boron in the molten SS pool. A parametric study was also conducted by changing the initial temperature of B$$_{4}$$C pellet and SS to investigate the temperature sensitivity on the eutectic reaction behavior.

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