TVF3号溶融炉の炉底に関する詳細構造

Design details of bottom shape for the 3rd glass melter in TVF

朝日 良光; 嶋村 圭介*; 小林 秀和 ; 小高 亮

Asahi, Yoshimitsu; Shimamura, Keisuke*; Kobayashi, Hidekazu; Kodaka, Akira

東海再処理施設では、使用済み核燃料の再処理に伴い発生した高レベル放射性廃液のガラス固化処理を、ガラス固化技術開発施設(Tokai Vitrification Facility; TVF)に設置した液体供給式直接通電型セラミック溶融炉(Liquid-Fed Ceramic Melter; LFCM)方式のガラス溶融炉にて行っている。LFCM方式のガラス溶融炉では、廃液に含まれる白金族元素の酸化物が析出して溶融ガラスの粘性が高まることで、溶融ガラスを流下し尽くした後にも粘性の高いガラスが炉内底部に残留する傾向がある。これがガラスの通電加熱特性に影響するのを防ぐため除去する必要があるが、この作業には時間を要する。固化処理を早期に完了するため、日本原子力研究開発機構では、白金族元素の炉内への蓄積量低減をねらった新しい炉へ更新する計画である。これまでの設計プロセスから、次期溶融炉の炉底・ストレーナ形状について複数の候補形状が考案されており、本報では、それらの中から、運転操作性や白金族元素粒子の排出性が現行溶融炉と同等以上の性能を持つ次期溶融炉の炉底・ストレーナ形状を選定する。はじめに、考案された3種類の炉底形状に対し、ガラス固化体1本分を製造する溶融炉の運転について3次元熱流動計算を用いてシミュレートし、溶融炉内のガラス温度分布の推移を比較した。これらの結果に溶融炉としての技術的・構造的な成立性を加味し、次期溶融炉の炉底形状には傾斜角45の円錐形状を採用した。次に、5種類のストレーナ形状について3次元のCFD計算を用いて流路抵抗と炉底付近に滞留する高粘性流体の排出割合を見積もり、それぞれ、現行炉と同等以上の性能を持つことを確認した。また、アクリル製の炉底形状模型を用いたシリコーンオイルを充填・流下する実験を行い、流下中の流動場には流動抵抗を生じさせる渦が発生しないことを確認した。また、レンガ片による流下ノズル閉塞防止機能が十分な性能を持つことを確認した。これらの結果を踏まえてストレーナ形状を選定した。

In Tokai Reprocessing Plant, the highly active liquid waste derived from a spent fuel reprocessing is vitrified with a Liquid-Fed Ceramic Melter (LFCM) embedded in Tokai Vitrification Facility (TVF). For an LFCM, the viscosity of melted glass is increased by the deposition of oxidation products of platinum group elements (PGE) and the PGE-containing glass tends to settle to the melter's bottom basin even after draining glass out. Removal of the PGE-containing glass is needed to avoid the Joule heating current from being affected by the glass, it requires time-consuming work to remove. For the early accomplishment of vitrifying the waste, Japan Atomic Energy Agency is planning to replace the current melter with the new one in which the amount of PGE sediments would be reduced. In the past design activities for the next melter, several kinds of shapes in regard to the furnace bottom and the strainer were drawn. Among these designs, the one in which the discharge ratio of PGE-containing glass would be as much as or greater than the current melter and which be able to perform similar operational sequences done in the current melter is selected here. Firstly, an operational sequence to produce one canister of vitrified waste is simulated for three melter designs with a furnace bottom shape, using 3D thermal-hydraulic calculations. The computed temperature distribution and its changes are compared among the candidate structures. After discussions about the technical and structural feasibilities of each design, a cone shape with a 45 slope was selected as the bottom shape of the next melter. Secondly, five strainer designs that fit the bottom shape above mentioned are drawn. For each design, the fluid drag and the discharge ratio of relatively high viscosity fluid resting near the bottom are estimated, using steady or unsteady CFD simulation. By draining silicone oil from acrylic furnace models, it was confirmed experimentally that there are no vortices