Droplet evaporation characteristics on high-temperature porous surfaces for cooling fuel debris

デブリ冷却のための高温多孔質体表面上の液滴蒸発特性

結城 光平*; 堀口 直樹   ; 吉田 啓之  ; 結城 和久*

Yuki, Kohei*; Horiguchi, Naoki; Yoshida, Hiroyuki; Yuki, Kazuhisa*

福島第一原子力発電所の燃料デブリは浸漬状態で冷却されている。しかし、予期せぬ水位低下が発生した場合、冷却水が多孔質構造を持つ高温の燃料デブリに接触する。このような場合、燃料デブリを早急に冷やす必要があるが、固液接触時の毛細管現象といった熱挙動は不明である。本論文では、基礎研究として、1mm以下の小孔を有する金属多孔体に接触した後の液滴蒸発特性を評価した。実験では、液滴のライフタイム曲線を得るために、孔径1, 40, 100umのブロンズまたはステンレス多孔体を用いた。実験結果から、発生した蒸気が小孔から排出されることで、多孔質体表面ではライデンフロスト現象が抑制されることがわかった。さらに、ブロンズ多孔質体では多孔質体の温度上昇と共に毛細管現象が観察され、これは微細な構造を持つ酸化膜が生成されたためであった。一方、ステンレス多孔体では低い濡れ性のため、毛細管現象は起こらず、液滴が小孔に吸い込まれて広がることはなかった。このことから、燃料デブリがステンレス多孔体と同じ特性を持つ場合には、毛細管現象による急冷を期待できないことが示された。

Fuel debris in the Fukushima Nuclear Power Station is cooled under immersion condition. However, in the event of an unexpected decrease in water level, coolant contacts high-temperature fuel debris having porous structure. In this event, although fuel debris needs to be cooled rapidly, thermal behavior at liquid-solid contact, such as capillary phenomenon, remains unclear. In this paper, as basic research, we evaluate droplet evaporation characteristics after contact with metal porous media with small pores less than 1 mm. In experiment, to obtain life time curve of a droplet, bronze or stainless steel porous media having 1, 40, or 100 m pore diameter are utilized. Experimental results show that Leidenfrost phenomenon is suppressed on the porous surfaces because generated vapor can be discharged from the pores. Further, for bronze porous media, capillary phenomenon is observed as the temperature of the porous media increase because of generation of oxide film having fine structure. On the other hand, due to low wettability of stainless steel porous media, capillary phenomenon does not occur, and the droplet was not sucked and spread into pore. This indicates that rapid cooling by the capillary phenomenon can not be expected if fuel debris has the same characteristics as the stainless steel porous media.