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松下 健太郎; 江連 俊樹; 藤崎 竜也*; 今井 康友*; 田中 正暁
日本機械学会2024年度年次大会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2024/09
ナトリウム冷却高速炉の炉上部プレナム部設計に向けて、自由表面渦によるガス巻込み現象の評価手法が開発されている。この評価手法では、評価対象領域における三次元流動解析から得られた流速場に渦モデルを適用することによって渦のくぼみを予測する。本研究では、解析メッシュを自動的に作成することを目的に、移流渦を伴う矩形流路におけるガス巻込み水試験を対象にAdaptive Mesh Refinement(AMR)法の適用を検討した。AMR法を適用する初期メッシュのサイズをパラメーターとして変更して、AMR法を適用して得られた解析メッシュを用いて過渡解析を実施した。その後、リファレンスとなる一様詳細メッシュでの過渡解析結果と、渦形成に関連する物理量と計算にかかる負荷について比較した。その結果、メッシュ数の変化がAMR法による詳細化の終了判定の指標にできる見通しが得られ、AMR法の適用によって過渡解析にかかる計算負荷を低減可能であることが確認された。
小林 駿輔*; 遠藤 和紀*; Jasmine, H.*; 堺 公明*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
第27回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2023/09
ナトリウム冷却高速炉の原子炉容器内では、ナトリウム冷却材を覆う不活性ガスであるカバーガスから主冷却系へのガス巻込み(GE)が想定され、気泡が炉心を通過する際に反応度のじょう乱が生じることが懸念される。従来、GE予測には静的渦伸長理論に基づく評価手法が用いられてきた。しかし、この方法では、広い液面における非定常移動渦によるGEの発生が過大評価されることが知られており、非定常移動渦の現象を理解するために、基礎的な水体系の実験により実験データが蓄積されてきた。本研究では、非定常移動渦から成長するガスコアが観測される実験系において、粒子画像流速測定法(PIV)によりGEが発生する条件下での速度分布を測定した。
遠藤 和紀*; 小林 駿輔*; Jasmine, H.*; 堺 公明*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
第27回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2023/09
ナトリウム冷却高速炉の原子炉容器内では、ナトリウム冷却材を覆う不活性ガスであるカバーガスから主冷却系へのガス巻込み(GE)が想定され、気泡が炉心を通過する際に反応度のじょう乱が生じることが懸念される。従来、GE予測には静的渦伸長理論に基づく評価手法が用いられてきた。しかし、この方法では、広い液面における非定常移動渦によるGEの発生が過大評価されることが知られており、非定常移動渦の現象を理解するために、基礎的な水体系の実験により実験データが蓄積されてきた。本研究では、自由液面上を移動しながら成長する渦のガスコアの長さを動的画像処理により計測し、GEの種類と発生状況について評価した。
松下 健太郎; 江連 俊樹; 今井 康友*; 藤崎 竜也*; 田中 正暁
第27回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2023/09
ナトリウム冷却高速炉(SFR)の設計において、炉上部プレナム部における自由液面上に発生するくぼみ渦によって引き起こされるアルゴンカバーガスの巻込み現象(ガス巻込み現象)が重要な熱流動課題の一つとなる。日本原子力研究開発機構では、「StreamViewer」という評価ツールを用いたガス巻込み評価手法の開発を進めている。本研究では、ガスコア長の定量的な評価精度の向上を目的として、StreamViewerにおける評価モデルの高度化について検討した。具体的には、タンク型SFRの中間熱交換器のような、熱輸送系へのガスの入口となる吸込み口から、炉上部プレナムの自由液面へと伸長する渦の中心を表す線(渦中心線)を抽出し、渦中心線に沿った減圧量の分布を算出し、水頭圧と比較することでガスコア長を評価し、ガス巻込みの発生を判定するモデルについて検討した。本評価モデルを非定常渦が発生する矩形開水路の水試験体系の解析結果に適用し、本モデルによる評価によってガス巻込みの発生を判別可能であることを確認した。
松下 健太郎; 江連 俊樹; 今井 康友*; 藤崎 竜也*; 田中 正暁
日本機械学会関東支部茨城講演会2021年度講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2021/08
ナトリウム冷却高速炉の原子炉容器内自由液面部でのガス巻込み現象の評価において、ガス巻込み現象の評価ツールとして「Stream Viewer」の開発を進めている。Stream Viewerは、渦周りの速度分布およびBurgus渦モデルを用いて渦中心の減圧量を算出し、その渦のくぼみ深さを予測するツールである。本報では、速度分布から連続的な渦中心線を抽出する機能をStream Viewerに実装し、渦中心線に沿った減圧量の3次元分布を評価する手法を検討した結果を報告する。矩形流路体系での非定常渦の水流動実験を対象に、渦中心線抽出機能を実装したStream Viewerを適用し、渦中心線の抽出が可能であることを確認した。また、渦中心線に沿った減圧量の分布特性から、ガス巻込みの成長の有無を予測し、評価手法を高精度化できる見通しを得た。
松下 健太郎; 藤崎 竜也*; 江連 俊樹; 田中 正暁; 内田 真緒*; 堺 公明*
計算工学講演会論文集(CD-ROM), 26, 6 Pages, 2021/05
ナトリウム冷却高速炉の冷却材自由液面部におけるガス巻込み渦について、数値解析によりガス巻込み量を評価する手法を開発している。本研究では、計算負荷を抑制し、かつ渦形状の予測精度を確保した解析メッシュの自動作成手法を調査し、その手法としてadaptive mesh refinement(AMR法)を非定常後流渦の体系を対象にすることによって検討した。メッシュ詳細化の基準として渦度、速度勾配テンソルの第二不変量(Q値)および速度勾配テンソルの固有方程式の判別式について検討し、Q値によるAMR法の適用がもっとも効率よく解析メッシュを詳細化できる見通しを得た。
伊藤 啓*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 齊藤 泰司*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉において、炉容器内の自由界面渦によって巻込まれたガスが炉心部に流入すると、炉出力擾乱の原因となる可能性がある。そのため、高速炉設計においてガス巻込み流量を評価する手法が必要となる。本研究では、ガス巻込み流量を決定するメカニズム検討の一環として、上下2つの円筒容器を配管で接続した実験体系における自由界面渦を対象とした数値解析を行い、様々な圧力条件下でのガス巻込み流量を評価した。その結果、上部-下部容器間の圧力差を変化させた際のガス巻込み流量の変化が、実験結果と解析結果とで一致し、数値解析によってガス巻込み流量を評価できることが確認された。
松下 健太郎; 伊藤 啓*; 江連 俊樹; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉(SFR)では、炉心反応度擾乱やIHXにおける熱交換率低下等を防止する観点から、一次冷却系統内の非凝縮性ガス量を制御することが重要である。このため、日本原子力研究開発機構ではSFRの一次冷却系統内の気泡・溶存ガス挙動評価に資するべく、数値計算コードSYRENAを開発している。本研究では、タンク型高速炉を対象にSYRENAのフローネットワークモデルを新たに構築し、一次系統内の気泡挙動を解析した。さらに、フローネットワーク内の上部プレナム部にD/Pモデルを導入し、D/P上下間のナトリウム交換流量および自由液面での気泡巻込み量をパラメーターとした解析を行うことで、一次系統内の気泡・溶存ガス挙動に対するD/P導入の影響を調査した。解析結果から様々な条件下における気泡挙動が得られた。特に自由液面での気泡巻込み量が多い場合と少ない場合とで、D/P上下間の交換流量の増加に対する一次系統内の気泡量の変化が異なることが示された。
戸來 周大*; 鈴木 詞永瑠*; 武田 承太朗*; 堺 公明*; 江連 俊樹; 松下 健太郎
no journal, ,
タンク型ナトリウム冷却高速炉において、自由液面に発生するくぼみ渦によるガス巻込み現象の評価手法を確立することが重要である。本研究では、自由液面を移動するくぼみ渦が発生する矩形開水路体系の実験装置について、液位を変化させた条件で解析を実施し、無次元下降流速勾配を判定基準とした気泡型ガス巻込みの発生判定を行った。その結果、実験結果と同様に液位が低下することで気泡型ガス巻込みの発生数が減少する結果が得られ、無次元下降流速勾配に基づいた気泡型ガス巻込みの判定方法の適用性を確認した。
伊藤 啓*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 齊藤 泰司*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉において、炉容器内の自由界面渦によって巻き込まれたガスが気泡として炉心部に流入すると出力擾乱の原因となり得ることから、高速炉設計においてガス巻込み流量を評価する手法が必要となる。本研究では、発表者らが提案した旋回環状流モデルに基づくガス巻込み流量の評価モデルを、詳細な数値解析によって得られた渦のガスコア周辺の液相流速分布に適用し、ガス巻込み流量を評価した。その結果、適切な評価領域を設定することで、実験結果に近いガス巻込み流量を得られることを確認した。
松下 健太郎; 江連 俊樹; 今井 康友*; 藤崎 竜也*; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の炉上部プレナム内自由液面部におけるカバーガス巻込み渦の発生が、高速炉の安全設計上の課題となる。そのため、ガス巻込み渦を数値解析によって評価する必要があり、数値解析等で得られた速度分布に基づくガス巻込み量評価ツール「Stream Viewer」を開発している。本報では、Stream Viewerの高度化の一環として、自由液面上の渦中心点を起点として最近接の渦中心点を逐次探索することで連続的な渦中心線を抽出し、ガス巻込み渦の挙動を3次元的に評価する手法を検討した。検討した渦中心線の抽出手法を非定常に物体後流渦が発生する開水路試験体系に適用した結果、ガス巻込み渦が発生し得る体系において渦中心線の抽出が可能であることを確認した。また、渦の発生から下流への進展までにおける渦中心線の挙動を評価し、下流まで進展しガスコアが成長する渦と、ガスコアが成長しない渦とを判別できる見通しを得た。
鳥川 智旦*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の炉容器内自由液面において、渦によるガス巻込みが発生する可能性がある。ガス巻込み流量が大きいとき、ガスが炉心部に流入すると炉出力擾乱の原因となり得るため、自由界面渦によるガス巻込み流量を評価することが求められる。本研究では、既往研究で未検討であった渦軸方向の圧力勾配の影響について、上部水槽と下部水槽を吸込み管で繋いだ体系によるガス巻込み流量計測実験及び吸込み管内気液二相流の可視化観察に基づく検討を行った。圧力勾配とガス巻込み流量の関係について、渦軸方向圧力勾配がほぼ一定でガス巻込み流量のみが増加する領域と、渦軸方向圧力勾配の増加にともなってガス巻込み流量が増加する領域が存在し、前者では吸込み管内に旋回環状流が形成され、後者では気液界面の乱れにより液プラグが発生することが分かった。また、上部水槽の液位が高くなるほど、旋回環状流の気相領域が細くなり、液プラグが発生しやすくなるため、小さいガス巻込み流量で流動形態の変化が起こることが分かった。
松下 健太郎; 江連 俊樹; 今井 康友*; 藤崎 竜也*; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉では、原子炉容器上部プレナム内の自由液面部に発生するくぼみ渦により、原子炉容器上部のカバーガスが冷却材中に巻き込まれ、炉心挙動に影響を及ぼすガス巻込み現象に対する評価手法の整備が必要となる。本研究では、3次元流動解析によって得られた流速分布から、液面で発生した渦の中心を示す線(渦中心線)を抽出し、渦中心線に沿った圧力降下の3次元分布と、水頭圧を比較することでガス巻込みを評価する「渦中心線減圧量評価モデル(PVLモデル)」を構築した。矩形流路体系における移流渦試験の解析結果を対象にP-VLモデルを適用し、ガス巻込みの評価を行った結果、PVLモデルの適用によって試験条件に対するガス巻込みの発生および非発生を区別できることが確認され、移流渦に対する本モデルの適用性が確認された。
遠藤 和紀*; 小林 駿輔*; Jasmine, H.*; 武田 承太朗*; 堺 公明*; 松下 健太郎; 江連 俊樹
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の原子炉容器内の液面等において、カバーガスであるアルゴン(Ar)ガスが冷却材中に巻き込まれるガス巻込み現象(GE)が発生した場合、Arガス気泡が冷却系統を移行し炉心を通過する際に反応度の擾乱の原因となることが懸念される。本研究では、底部スリットを持つ矩形開水路のGE試験装置にて、出口流路形状を変化させた条件でのGEの発生数及びタイプを計測するとともに、数値解析により下降流速勾配の変化がGEに与える影響を分析した。出口流路形状は、スリット下側にのみ出口を有する形状(出口流路1)とスリットの上下両方に出口を有する形状(出口形状2)の2種類とした。結果、出口流路1の場合、入口流速の増大に伴いGE発生数が増加する傾向にあるのに対し、出口流路2ではGE発生数が大幅に減少することが確認された。また、数値解析により、出口流路2の条件では、テスト部底部への下降流速勾配が減少することにより、GE発生数が抑制されることが明らかになった。
鈴木 詞永瑠*; 戸來 周大*; 武田 承太朗*; 堺 公明*; 江連 俊樹; 松下 健太郎
no journal, ,
タンク型ナトリウム冷却高速炉において、自由液面に発生するくぼみ渦によるガス巻込み現象の評価手法を確立することが重要である。本研究では、自由液面を移動するくぼみ渦が発生する矩形開水路体系の実験装置について、出口流路形状を変更することによって下降流速勾配を変化させた条件で数値解析を実施し、無次元下降流速勾配を判定基準とした気泡型ガス巻込みの発生判定を行った。その結果、実験結果と同様に下降流速勾配が減少することで気泡型ガス巻込みの発生数も減少する結果が得られ、無次元下降流速勾配に基づいた気泡型ガス巻込みの判定方法の適用性を確認した。
中村 博紀*; 内田 昌人*; 早川 教*; 的場 一洋*; 渡辺 収*; 小野田 雄一; 田中 正暁
no journal, ,
600MWe級のタンク型ナトリウム冷却高速炉における自由液面からのカバーガスの巻込みを防止するため、その対策構造を検討するとともに、その効果を解析により評価した。まず対策構造としてリング状のバッフルプレート(BP)の原子炉容器壁への設置を検討した。このBPの幅及び設置深さをパラメータとしたCFD解析を実施し、液面流速が最も遅くなる構造として幅0.8m、設置深さ2.2mを得た。この対策構造を設置した場合のガスコア長さをガス巻込み判定手法を用いて評価したところ、最大ガスコア長さは約4mとなり、対策構造無しのガスコア長さ約20mと比較すると大幅に低減し、対策構造の有効性が確認された。一方、評価されたガスコア長さは液面からIHX入口窓上端までの距離2.5mより長いため、ガスコアがIHX窓部に到達しガス巻込みを発生させる可能性がある。今後はより有効な対策構造の検討と、ガス巻き込み評価手法の精緻化を行う予定である。
伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之
no journal, ,
ナトリウム冷却炉におけるガス巻込み現象を直接再現することを目的として、複雑な形状の体系に適用できる非構造格子を用いた数値解析手法の開発を進めている。本発表では、解析手法の検証を行うため、Manufactured Solutionの構築を試解析を行った結果について報告する。
伊藤 啓; 小泉 安郎*; 大島 宏之; 河村 拓己*
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉におけるガス巻込み現象を解析対象として、界面追跡法による高精度CFDコードの開発を行っている。高速炉ガス巻込み現象は、自由液面渦の中心線に沿った界面のくぼみ(ガスコア)およびガスコア先端からの気泡千切れによって特徴づけられる。解析精度向上のため、気液界面形状(界面勾配・曲率)や気液界面における力学的バランスを正確にモデル化した物理ベース手法を開発しており、本発表では、ガス巻込み基礎試験を対象とした検証解析を行うことで、気泡千切れ挙動やガス巻込み量を再現できることを示す。
松下 健太郎; 江連 俊樹; 今井 康友*; 田中 正暁
no journal, ,
日本原子力研究開発機構(JAEA)では、ナトリウム冷却高速炉(SFR)をはじめとする、多様な炉システム開発の支援を目的として、AI支援型革新炉ライフサイクル最適化手法「ARKADIA」の開発を進めている。SFR設計における重要な熱流動課題の一つとして、炉上部プレナム部の自由液面部におけるくぼみ渦に起因するカバーガスの巻込み(ガス巻込み)の抑制があり、JAEAでは、ガス巻込み評価ツール「StreamViewer」を中心とした「ガス巻込み評価システム」をARKADIAにおいて開発している。本報では、ARKADIAにおけるガス巻込み評価システムの概要およびStreamViewerの開発状況について報告する。さらに、StreamViewerを水流動試験体系の解析結果に適用し、ガス巻込み現象の評価が可能であることを確認した結果についても合わせて報告する。
松下 健太郎; 江連 俊樹; 今井 康友*; 藤崎 竜也*; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉では、原子炉容器上部プレナム内の自由液面部に発生するくぼみ渦により、カバーガスが冷却材中に巻き込まれる現象(ガス巻込み)が発生する可能性がある。巻き込まれたカバーガス気泡は、炉心部を通過すると炉心挙動に影響を及ぼしうる。このことから、ガス巻込み評価手法の整備を進めている。本研究では、3次元流動解析により得られた流速分布から、液面と吸込み部の間に生じた渦の渦中心線を抽出し、渦中心線に沿った渦中心減圧量分布と、水頭圧を比較することでガス巻込みを評価するモデルについて検討した。矩形流路でのガス巻込み試験を対象に、入口流速条件をパラメータとした試験解析を行い、得られた解析結果に本モデルを適用しガス巻込み評価を行った。その結果、試験と同様に入口流速の増加につれてガス巻込みの発生が増加する様子を再現でき、入口流速とガス巻込み発生の関係が再現可能であることを確認した。
