Characteristics of droplet evaporation on high-temperature porous surfaces for estimating cooling time of fuel debris

燃料デブリ冷却のための高温多孔質体表面における液滴蒸発特性

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通常、浸漬状態で冷却される。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十分に理解されていない。本論文では、1mm以下の小孔を有する金属多孔体に接触した液滴の蒸発特性を評価した基礎研究について述べる。孔径1, 40, 100mのブロンズまたはステンレス多孔体を用いた実験を行い、液滴のライフタイム曲線を推定した。結果として、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が上昇すると微細構造を持つ酸化膜が毛細管現象を促進した。一方、ステンレス多孔体では濡れ性が低いことで毛細管現象が抑制され、孔内への液滴の吸収および分散が抑制される。したがって、燃料デブリには毛細管力が作用しないと仮定して冷却システムを構築すべきである。

Fuel debris at the Fukushima Daiichi nuclear power station is typically cooled under immersion. However, an unexpected significant drop in water level results in coolant contact with high-temperature fuel debris having porous structure. In such scenarios, rapid cooling is essential, yet the thermal behavior at the liquid-solid interface, including capillary phenomena, is not well understood. This paper presents basic research evaluating the evaporation characteristics of droplets upon contact with metallic porous media featuring small pores under 1 mm. We conducted experiments using bronze or stainless steel porous media with pore diameters of 1, 40, or 100 m to derive lifetime curves for droplets. Our findings indicate that Leidenfrost effect is mitigated on porous surfaces as the vapor can escape through the pores. Moreover, in bronze porous media, as the temperature increases, oxide film with a fine structure facilitates capillary action. In contrast, the low wettability of stainless steel porous media prevents capillary action, inhibiting droplet absorption and dispersion into the pores. Consequently, rapid cooling via the capillary action is unlikely if the fuel debris shares similar characteristics with steel porous media. Therefore, for risk management, the cooling system should be established assuming that capillary force does not act in the fuel debris.