Experiment and numerical simulation of pulsation flow in single channel for Li-7 enrichment technology development by MCCCE method

MCCCE法を用いたリチウム-7濃縮技術のための単チャンネル試験による脈動流の実験と数値シミュレーション

堀口 直樹   ; 吉田 啓之  ; 北辻 章浩  ; 長谷川 信*; 岸本 忠史*

Horiguchi, Naoki; Yoshida, Hiroyuki; Kitatsuji, Yoshihiro; Hasegawa, Makoto*; Kishimoto, Tadafumi*

我が国のエネルギー安全保障の観点および環境負荷低減の観点から、軽水炉の連続運転が不可欠である。PWRの水質管理にはLi-7イオンを濃縮したpH調整剤が必要であり、Li-7濃縮技術の開発が重要課題の一つである。環境負荷の少ない技術としてマルチチャンネル向流電気泳動(MCCCE)法が開発されている。これを実用化するためには、チャネル内のLi-7イオン挙動を把握し、Li-7と他同位体を分離させるため実験条件を最適化する必要がある。本報告では、実機の単一チャンネル内のLi-7イオン挙動を把握することを目的に、原子力機構で開発した粒子追跡機能を有するCFDコードTPFIT-LPTをベースとしたイオン挙動の数値シミュレーション手法を開発した。本手法では、電場下のイオンの運動を、電場による速度を粒子に付加して運動させることで模擬した。同位体の運動の差異は付加速度の大きさを変更して表現した。また、個々のイオン挙動を実験計測することは不可能であるが、数値シミュレーションの検証の為に、バルク流体の流速を測定することが重要であると考えた。そこで、実機の単一チャンネルを簡略化したラボスケール実験装置を開発し粒子画像流速計測法(PIV)により流速を測定することとした。実験装置には、実機の実験条件の一つであり数値シミュレーションで難しい条件の一つである脈動流条件を設定し、流速を測定した。結果として、脈動流が再現されることを確認した。この脈動流の実験データを数値シミュレーションの入口境界条件として設定し、数値シミュレーションを実施した。この結果として、電場の影響を受けたイオンが脈動しながら上流へ移動することを確認した。また、電場下の同位体の挙動の差異も確認した。

From the viewpoint of energy security in Japan and reduction of the environmental load, continuous operation of light water reactors is essential. Since a pH adjuster with enriched Li-7 ions is required for water quality control on PWR, the development of Li-7 enrichment technology is one of the key issues. The multi-channel counter-current electrophoresis (MCCCE) method has been developed as the technology with a low environmental load. To put this method into practical use, it is necessary to understand Li-7 ion behavior in the channel flow and optimize the experimental condition to separate Li-7 and its isotope. In this paper, to understand Li-7 ion behavior in a single channel of the experimental apparatus, a numerical simulation method based on a computational fluid dynamics (CFD) code with a particle tracking method, TPFIT-LPT, was developed. In the method, the motion of multiple ions under the electric field was simulated as a particle with an added velocity by the electric field. The difference in the isotopes was represented by changing of the magnitude of the added velocity. We also considered that although it is impossible to measure the behavior of each ion, it is important to measure the flow velocity of the bulk fluid for the validation of the numerical simulation. We developed a lab-scale experimental apparatus in which the single channel of the actual apparatus was simplified to measure the flow velocity by Particle Image Velocimetry (PIV). We set a pulsation flow condition on the lab-scale experiment, which is one of difficult conditions for the numerical simulation, and measured the velocity. As the result, we confirmed that the pulsation flow was reproduced. We set the measured data as the inlet boundary condition of the numerical simulation and conducted it. As the numerical result, we confirmed the ions affected by the electric field moved upstream with pulsation. We also confirmed the effect of the electric field on the motion of the isotope.