Development of numerical analysis method of oxygen concentration near wall of lead-bismuth eutectic channel

鉛ビスマス流路壁面における酸化層成長および溶解速度の数値解析手法の構築

渡辺 奈央  ; 山下 晋   ; 上澤 伸一郎  ; 西原 健司  ; 吉田 啓之  

Watanabe, Nao; Yamashita, Susumu; Uesawa, Shinichiro; Nishihara, Kenji; Yoshida, Hiroyuki

JAEAでは、鉛ビスマス共晶合金(LBE)を冷却材とする加速器駆動型核変換システム(ADS)を設計している。LBE流路壁の腐食速度の推定は、安全性や構造物全体の寿命を検討する上で重要な課題である。腐食速度は材料表面に形成される酸化層の状態に依存する。そこで、本研究では数値解析により酸化層の成長および溶解(OLGD)速度を推定することで、ADSにおける腐食速度を評価し設計に反映できる手法の構築を目的とする。OLGD速度は材料とLBE間の酸素と鉄の質量移動速度およびLBE中におけるこれらの移流拡散速度と相互に依存している。したがって、OLGD速度を推定するには、3つの数値解析モデルを連成させて解を得る必要がある。このうち、移流拡散の計算には、ADS中の複雑な流れへの適用性からCFDコードの使用が合理的である。一方、移流拡散に比べてはるかにスケールの小さい現象である材料とLBE間の質量移動およびOLGDについては、何らかの相関式を用いることが合理的である。本報告では、JAEAが開発しているCFDコードJUPITERを用いたOLGD速度の解析手法の構築について述べる。なお、材料とLBE間の質量移動速度およびOLGD速度の相関式については、実験式から導出され先行研究で用いられた既存のモデルを修正して用いた。

Accelerator-driven system (ADS), the coolant of which is lead-bismuth eutectic (LBE), has been designed by Japan Atomic Energy Agency. Estimating corrosion rate at the wall surface of LBE channel is an important issue in considering safety and the life of the entire structure. The corrosion rate depends on state of oxygen layers forming at the material surface. Therefore, this study aims to develop a method to evaluate the corrosion rate in ADS for the design study by estimation of the oxide layer growth and dissolution (OLGD) rates by means of numerical analysis. The OLGD rates, mass transfer rates of oxygen and iron between the material and LBE and advection-diffusion rates of them in LBE depend on each other. Therefore, in order to estimate OLGD rates, the three numerical analysis models should be coupled. For the advection-diffusion calculation, to use CFD code should be reasonable approach to analyze complex flow in ADS, while for the OLGD and the mass transfer calculation, to use some correlation equations should be reasonable because their scales are much smaller than the advection-diffusion. The present work has developed the analysis method of OLGD rates by using JUPITER code, which is CFD code developed in JAEA. In terms of the correlation equations of OLGD and mass transfer rates, existing models used in a previous study were used with modified.