Characterization of high-temperature nuclear fuel-coolant interactions through X-ray visualization and image processing

X線可視化と画像処理を通じた高温溶融燃料-冷却材相互作用のキャラクタリゼーション

Johnson, M.*; Journeau, C.*; 松場 賢一  ; 江村 優軌; 神山 健司  

Johnson, M.*; Journeau, C.*; Matsuba, Kenichi; Emura, Yuki; Kamiyama, Kenji

日本原子力研究開発機構のMELT試験施設では、キログラムスケールの高温溶融ステンレス鋼とナトリウムとの相互作用を可視化するために、高分解能X線イメージングを用いている。本研究では、溶融ジェットの微粒化と急冷の定量的な評価のために、新しい画像処理ソフトウェアSPECTRAを開発した。X線による視野範囲を横切る溶融相の追跡と3次元再構成により、実験後に回収されたデブリの72%を検出することができた。融体と冷却材の界面に固化クラストが存在することが確認され、一方、熱的な微粒化に伴い急速な蒸気膨張が引き起こされた。本研究で観察された溶融ジェットの微粒化は、溶融ジェット内に取り込まれた冷却材が気化し、固化クラストの微粒化に十分な内部過圧を発生させたことで説明できる。この熱的な微粒化によって形成されたデブリは、粗いクラスト状の固化物とより細かい固化物から成る二つのピークを有する粒子径分布を示した。

High-resolution X-ray imaging was employed at the JAEA MELT facility to visualize a kilogram-scale interaction between a jet of high temperature molten stainless steel and sodium. A novel software, SPECTRA, has been developed for the quantitative characterization of jet quenching and fragmentation. Tracking and 3D reconstruction of the melt phase traversing the imaging window enabled the detection of 72% of the debris mass recovered post-experiment. The rebounding of melt fragments confirmed a solid outer crust at the melt-coolant interface, while a thermal fragmentation event induced rapid vapor expansion. Jet fragmentation is best explained by the vaporization of coolant entrained within the melt jet generating an internal over-pressure sufficient for fragmentation of the crust. Thermal fragmentation produced a bimodal debris size distribution of coarse jet shells and finer fragments.