Free outflow from the end of a horizontal circular pipe related to flow from the PWR cold leg to the downcomer

PWRコールドレグからダウンカマーへの流れに関連する水平円管終端からの自由流出

佐藤 聡 ; 日引 俊*; 池田 遼 ; 柴本 泰照 

Satou, Akira; Hibiki, Takashi*; Ikeda, Ryo; Shibamoto, Yasuteru

加圧水型原子炉(PWR)の冷却材喪失事故では、ダウンカマーに流入するコールドレグに注入された緊急炉心冷却(ECC)水の流れにより、原子炉圧力容器(RPV)内壁に加圧熱衝撃(PTS)が発生するリスクがある。PTSは、ECC水によるダウンカマー壁の急冷によって発生し、ECC水の温度、壁面へのジェットの衝突位置と速度、壁面上の液膜の速度、液膜の厚さ、下降流の広がりなどに強く影響される。したがって、コールドレグからダウンカマーに流出するECC水の流れは、PTS事象に強く影響する可能性がある。この流動現象を理解するために、円管からの自由流出に関する研究をレビューした。流動条件の分類、流動条件間の遷移条件、端部深さ比、円管内の流れの自由表面形状、管から流出するナッペの形状に関する実験結果は、ほぼ一致した形で得られている。これに対し、コールドレグからダウンカマーへの流れを考慮する場合、自由空間ではなく狭い隙間への流れ、円管出口の角の丸みの存在、炉心からコールドレグへ流れる蒸気流の影響など、特殊な状況での流れ場を扱う必要がある。しかし、これらの要因を考慮した先行研究は少ないため、今後蓄積すべき知見としてまとめた。

During a loss-of-coolant accident in a pressurized water reactor (PWR), there is a risk that pressurized thermal shock (PTS) may occur on the internal wall of the reactor pressure vessel (RPV) due to the flow of emergency core cooling (ECC) water injected into the cold leg that flows into the downcomer. PTS is caused by the rapid cooling of the downcomer wall by the ECC water and is strongly influenced by the temperature of the ECC water, the collision position and velocity of the water jet on the wall, the velocity of the liquid film on the wall, the thickness of the liquid film, and the spread of the downward flow. Therefore, the flow of ECC water discharging from the cold leg to the downcomer may strongly impact PTS events. To help understand this flow phenomenon, we reviewed studies on free outflow from a circular pipe. Experimental findings on the classification of flow conditions, transition conditions between flow conditions, end depth ratio, free surface profile of flow in the circular pipe, and shape of the nappe flowing out from the pipe have been obtained in a form that is almost consistent with each other. In contrast, when considering the flow from the cold leg to the downcomer, it is necessary to deal with the flow field in a specific situation, such as the flow into a narrow gap rather than a free space, the existence of rounded corners at the outlet of the circular pipe, and the influence of steam flow flowing from the core to the cold leg. However, few previous studies consider these factors, so we summarized them as knowledge that needs to be accumulated in the future.