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論文

Subchannel analysis of thermal-hydraulics in a fuel assembly with inner duct structure of a sodium-cooled fast reactor

菊地 紀宏; 今井 康友*; 吉川 龍志; 堂田 哲広; 田中 正暁; 大島 宏之

Journal of Nuclear Engineering and Radiation Science, 5(2), p.021001_1 - 021001_12, 2019/04

原子力機構では、先進ループ型ナトリウム冷却高速炉の設計検討における炉心損傷事故に対する安全対策の一つとしてFAIDUSと呼ばれる内部ダクトを有する燃料集合体の採用が検討されている。本研究では、サブチャンネル解析コード(ASFRE)を用いFAIDUS内の熱流動特性について調べた。FAIDUSの解析を実施する前に、模擬燃料集合体試験を対象として解析を行いASFREの妥当性を確認した。大型炉の内部ダクトのない典型的な燃料集合体と内部ダクトを有するFAIDUSを対象に高流量および低流量条件下での熱流動解析を実施し、FAIDUS内の温度分布について、内部ダクトのない燃料集合体と同様に顕著な非対称性が生じないことを示した。

論文

ナトリウム冷却高速炉の自然循環崩壊熱除去時における炉内熱流動評価手法の高度化,1; 径方向熱移行現象評価に関わるサブチャンネル解析コードASFERの妥当性確認解析

菊地 紀宏; 堂田 哲広; 橋本 昭彦*; 吉川 龍志; 田中 正暁; 大島 宏之

第23回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 5 Pages, 2018/06

高速炉の安全性強化の観点から、循環ポンプ等の動的機器を必要としない自然循環冷却が期待されている。自然循環時の炉心流量は定格運転時の2から3%程度となり、隣接する燃料集合体間の径方向熱移行や浮力による炉心内流量再配分が、炉心全体及び燃料集合体内の温度分布に与える影響が相対的に強くなる。自然循環時の燃料集合体内温度分布評価では、この燃料集合間熱移行の考慮が重要となる。本研究では、燃料集合体内熱流動解析と連成させた炉心全体の熱流動解析評価手法整備の前段階として、低流量かつ径方向熱移行量が大きい条件での燃料集合体内熱流動に対するサブチャンネル解析コードASFREの妥当性確認を目的に、隣接集合体間の径方向熱移行が発生する条件で実施されたナトリウム試験を対象とした試験解析を実施した。計測結果との比較により、これまで集合体単体を対象に整備を進めてきたASFREの既存物理モデルである、圧力損失を評価するDistributed Resistance Model及び集合体内の乱流混合を評価するTodreas-Turi Modelの径方向熱移行現象評価への適用性及び解析結果の妥当性確認を行った。

論文

ナトリウム冷却高速炉の内部ダクトを有する燃料集合体内熱流動解析

菊地 紀宏; 今井 康友*; 吉川 龍志; 田中 正暁; 大島 宏之

日本機械学会関東支部茨城講演会2017講演論文集(CD-ROM), 4 Pages, 2017/08

ナトリウム冷却高速炉システムの安全性強化に係る概念構築の一環として、シビアアクシデント時に炉心が溶融する遷移過程において早期に溶融燃料を炉心部から排出し、炉心部での再臨界を排除するため、燃料集合体内に内部ダクトを有する燃料集合体(FAIDUS)の採用を検討している。この内部ダクトの存在により冷却材の偏流や温度分布の非対称性が生じることが懸念されることから、原子力機構で開発してきた高速炉燃料集合体内熱流動解析コードSPIRALを用い、FAIDUS内の熱流動特性を詳細に確認することとした。先進型ナトリウム冷却大型高速炉の定格条件(暫定条件)を境界条件とするFAIDUSの熱流動解析を実施した結果、従来の正六角管型集合体の熱流動特性と同様な傾向を示し、特異な温度分布を示さないことを確認した。

論文

Thermal-hydraulic analysis of fuel assembly with inner duct structure of an advanced loop-type sodium-cooled fast reactor using ASFRE code

菊地 紀宏; 今井 康友*; 吉川 龍志; 堂田 哲広; 田中 正暁; 大島 宏之

Proceedings of 25th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25) (CD-ROM), 12 Pages, 2017/07

先進ループ型ナトリウム冷却高速炉の設計検討において、高速炉の安全性向上のための方策の一つとしてFAIDUSと呼ばれる内部ダクトを有する燃料集合体の採用が検討されている。FAIDUSの設計実現性を確認するため、種々の運転条件下における熱流動評価が必要であり、本研究では、模擬燃料集合体を用いた試験を対象とした数値解析を通じ燃料集合体へのASFREコードの適用性を確認した後、内部ダクトのない燃料集合体とFAIDUSの熱流動解析を実施した。得られた結果からFAIDUS内に非対称な温度分布が生じず、FAIDUSの温度分布特性は内部ダクトのない燃料集合体と同様であることがわかった。特に、低流量条件において、浮力による局所的な流れの促進が流量再配分をもたらし、その影響により平坦な温度分布が形成されるとの知見を得た。

論文

Development of sodium-water coupled thermal-hydraulics simulation code for sodium-heated straight tube steam generator of fast reactors

吉川 龍志; 田中 正暁; 大島 宏之; 今井 康友*

Proceedings of 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-11) (USB Flash Drive), 12 Pages, 2016/10

高速炉直管型蒸気発生器の熱流動設計や安全性評価への適用を目的として、ナトリウム側-水側連成解析コードTSGの開発を進めている。CFDコードによるポーラスモデルを用いて伝熱管群における3次元熱流動解析を行うナトリウム側解析モジュールを整備し、マルチチャンネルモデルで伝熱管内二相流解析を行う水側解析モジュールを開発した。各モデルの再現性及び連成解析機能についての総合機能確認の一環として、実機SGと同じナトリウム加熱による2重管SG小型モデル試験を対象に検証解析を行った。複数の静特性試験ケースを対象に、試験で計測されたナトリウム側温度分布及び水側出口蒸気温度についてナトリウム側-水側連成解析による解析結果と比較した結果の妥当性を確認した。

報告書

直管型蒸気発生器3次元熱流動解析コードTSG; 水側解析モジュールのユーザーズマニュアル

吉川 龍志; 大島 宏之; 田中 正暁; 今井 康友*

JAEA-Data/Code 2014-034, 84 Pages, 2015/03

JAEA-Data-Code-2014-034.pdf:2.35MB

高速炉直管型2重伝熱管蒸気発生器の熱流動解析コードTSG(Three-dimensional Thermal-hydraulics Analysis Code for Steam Generators)を開発している。TSGコードは、直管型SGナトリウム側3次元解析と水側マルチチャンネル解析を連成したSG熱流動解析システムである。ナトリウム側は汎用CFDコードFluentによるポーラスボディ解析モデルを採用して3次元流れ場を解析する。水側の自作モジュールはドリフトフラックスモデルを採用して全チャンネルの二相流動を解析する。伝熱管を介した熱交換を通信することでナトリウム側と水側をカップリングしSG熱流動性能を評価する。本報告書は、TSGの水側モジュールの使用説明書として、同モジュールで扱われる計算モデル,インプット,アウトプットについて取りまとめたものである。

報告書

SG水側熱流動評価コードの開発及び不安定流動解析

吉川 龍志; 大島 宏之

JAEA-Research 2010-007, 44 Pages, 2010/06

JAEA-Research-2010-007.pdf:1.33MB

次世代高速増殖炉実用化研究開発において検討されている直管型蒸気発生器の成立性評価のため、信頼性があり現実的な評価が可能な解析手法の確立が必要である。本研究では、蒸気発生器水側伝熱管内熱流動を対象とした解析コードを開発した。数値解析手法については、ドリフトフラックスモデルに対して半陰解法を採用し、空間差分はスタガード格子を用いた。入口プレナムに流入する水の総流量,温度、及び出口プレナム圧力を境界条件として与えて、解析を実施した。水/蒸気の物性導関数を直接的に水/蒸気関数から求めて、その精度及び連続性を確保した。開発した解析コードの精度を検証するために、二つパラレルチャンネルにおける不安定流動試験解析を実施した。パラレルチャンネルにおける流量振動及び流動安定境界の予測機能を確認した。感度解析も行い、各パラメータの振動周期及び安定境界への影響度を定量的に分析した。今後の実験から得られる最適なドリフト速度相関式及び二相流摩擦損失増倍係数相関式を加えることにより、さらに高精度の予測性能を得ることが期待できる。

報告書

SG水側流動不安定解析手法の検討

吉川 龍志; 浜田 広次; 大島 宏之; 柳沢 秀樹*

JAEA-Research 2008-058, 29 Pages, 2008/06

JAEA-Research-2008-058.pdf:1.31MB

日本原子力研究開発機構では、高速増殖炉実用化に向けて、直管型2重伝熱管を用いた大型ナトリウム炉の蒸気発生器に対する研究開発を行っている。その一環として、蒸気発生器水側の流動安定性を実験的及び解析的に評価している。この報告書では、蒸気発生器水側の流動安定性を対象とした数値解析手法を検討した。数値解析では、均質流モデルを用いて単一伝熱管流動不安定性解析コードを作成した。密度波不安定流動に対する出入口圧力,熱流束を境界条件として与えて、入口流量を計算するアルゴリズムを確立した結果、均質流モデルで単一伝熱管流動不安定性を解析できることを確認した。精度向上のため、基礎式にサブクール沸騰及び二相流スリップ効果を取り込むことができるドリフトフラックスモデルを検討し、ドリフトフラックスモデルによる単一伝熱管流動不安定性解析コードを作成した。そして密度波不安定流動に対する境界条件及び解析アルゴリズムを利用して、ドリフトフラックスモデルでの不安定性解析機能を確認した。

報告書

Na-水反応における界面積濃度モデルの構築

吉川 龍志; 大島 宏之; 浜田 広次; 栗原 成計; 内堀 昭寛

JAEA-Research 2008-055, 24 Pages, 2008/06

JAEA-Research-2008-055.pdf:3.19MB

ナトリウム-水反応の影響を解析的に評価するために、現在日本原子力研究開発機構では、開発した多成分・多相流解析コードSERAPHIMを用いてナトリウム-水反応現象の伝熱流動研究を行っている。ナトリウム-水反応現象の詳細を把握するためには、ナトリウムと水蒸気の混合過程や発生した気体のボイド率分布等、ガスジェットの挙動に関する知見を得る必要がある。特にナトリウム-水反応を正確に解析するために、水蒸気中にナトリウム液滴の界面積濃度モデルを確立する必要がある。この報告書では、ナトリウムと水蒸気の混合過程を対象としたガスジェットの挙動に関する理論的分析及び解析モデルを検討した。理論的分析では、既存のジェット流に対する臨界流量,減圧膨張過程及びエントレインメントの評価方法を検討した。17MPa、サブクール水条件下の圧縮性の影響の検討から、臨界流量公式の適用性を確認した。蒸気ジェットにエントレインされた液滴の微粒化に関する既存の理論及び実験成果に基づいて、多相流解析に適用するナトリウム液滴の界面積濃度輸送方程式を構築した。

論文

高速炉蒸気発生器水側熱流動解析手法の開発

吉川 龍志; 浜田 広次; 大島 宏之; 柳沢 秀樹*

第13回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.495 - 496, 2008/06

高速増殖炉の蒸気発生器における詳細な熱流動現象を評価することを目的として、数値解析コードを整備している。その一環として、サブクール沸騰及び二相流スリップ効果を取り込んだドリフトフラックスモデルを用いて、蒸気発生器水側の不安定挙動解析に適用可能な手法を開発した。また、密度波不安定流動に適用する解析アルゴリズムを検討した結果、複雑な行列計算の必要がない、大きい時間ステップが可能である数値方法を考案した。サブクール沸騰モデルについては、定常流動のボイド率分布の計算によりその機能を検証した。さらに、出入口圧力,熱流束を境界条件として与えて、入口流量を計算する流動不安定性解析により、非定常流動の解析機能を確認した。

口頭

高速炉蒸気発生器不安定流動解析手法の開発

吉川 龍志; 大島 宏之

no journal, , 

高速増殖炉の直管型蒸気発生器における熱流動現象を評価することを目的として、数値解析コードを整備している。その一環として、ドリフトフラックスモデルを用いた半陰解法による水側不安定流動解析モジュールを開発した。パラレルチャンネルにおける不安定流動を対象として検証解析を行い、流量振動及び流動安定境界の予測機能を確認した。また、感度解析により各パラメータの影響度を定量的に分析した。

口頭

高速炉蒸気発生器不安定流動解析コードの検証

吉川 龍志; 大島 宏之

no journal, , 

高速炉実用化研究において、直管型2重伝熱管蒸気発生器の設計検討が進められている。本研究では、蒸気発生器の伝熱管内水側二相流の不安定流動挙動評価のため、ドリフトフラックスモデルを使用し、半陰解法を採用する1次元フローネットワーク解析コードを開発した。開発した解析コードの妥当性を確認するため、2本管パラレルチャンネルにおける不安定流動試験解析を実施し、流量振動及び流動安定境界など、流動不安定性評価への適用性を確認した。また、感度解析により、振動周期及び安定境界への各種パラメータの影響度を定量的に分析した。

口頭

高速炉蒸気発生器流動安定性評価手法の開発

吉川 龍志; 大島 宏之

no journal, , 

高速増殖炉実用化研究開発において直管型蒸気発生器流動安定性評価に適用できる解析コードを開発している。開発済みの水側二相流動解析コードにナトリウム及び伝熱管の温度解析機能を追加して、ナトリウム流動と水側流動をカップリングした一本管モデルの解析コードを開発した。70MW直管型蒸気発生器流動安定性試験の解析により、流動不安定現象を解析できることを確認した。

口頭

高速炉蒸気発生器水側マルチチャンネル解析コードの開発

吉川 龍志; 今井 康友*

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器の熱工学的成立性評価においては、伝熱管内二相流の挙動、特にパラレルチャンネルの流動安定性を予測できる熱設計手法の確立が必要である。本研究では、ドリフトフラックスモデルを採用する蒸気発生器水側マルチチャンネル解析コードを開発した。2本管パラレルチャンネルにおける不安定流動試験による検証解析を実施した。401チャンネルモデルを用いた不安定流動解析を実施し、開発したコードのマルチチャンネル解析機能を確認した。マルチチャンネル解析コードの高速化を目的として、MPIによる並列化を実施した。

口頭

高速炉蒸気発生器ナトリウム側-水側連成解析モデルの開発

吉川 龍志; 今井 康友*

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器の熱工学的成立性評価においては、ナトリウム側の流動多次元性、ナトリウム側と水側の相互作用効果を考慮した評価が重要となるため、ナトリウム側多次元解析と水側マルチチャンネル解析を組合せた連成解析システムの構築を目指している。本研究では、汎用CFDコードFluent及びポーラスボディ解析モデルを採用したナトリウム側多次元解析モデルを整備し、水側マルチチャンネル解析コードとの連成解析モデルを構築した。直管型蒸気発生器体系で連成解析を実施した結果、妥当な結果が得られることを確認した。

口頭

Na側-水側連成解析による直管型蒸気発生器3次元評価手法の整備

吉川 龍志; 今井 康友*

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器ナトリウム側多次元解析と水側二相流解析を組合せた連成解析システムの構築を進めている。本研究では、Fluentによるポーラスボディ解析モデルを採用したナトリウム側多次元解析モデルを整備し、水側マルチチャンネル解析コードとの連成解析モデルを構築した。ナトリウム側圧力損失相関式の計算、水側との連成処理は、Fluentユーザ定義関数(UDF)機能で開発した。750MWe級実機設計例における直管型蒸気発生器体系で連成解析を実施した結果、妥当な結果が得られることを確認した。

口頭

直管型蒸気発生器3次元熱流動解析コードV&Vに向けたPIRT作成

吉川 龍志; 田中 正暁; 大野 修司

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器(SG)ナトリウム側3次元ポーラスボディ解析と水側マルチチャンネル解析を組み合わせた連成解析コードの整備を進めている。解析結果信頼性評価として解析コードVerification and Validation(V&V)を実施するために、評価事象における重要な物理現象を抽出する必要がある。本研究では、重要度ランクテーブル(PIRT)手法を利用してSG内部3次元伝熱流動,熱過渡,流動安定性における物理現象をリストアップし、その重要度及び知識レベルをランク付けた。そして優先的に実施すべき研究テーマを整理した。

口頭

高速炉蒸気発生器ナトリウム側-水側連成解析モデルの開発; 伝熱管プラグ条件を対象とした機能整備

吉川 龍志; 田中 正暁; 大島 宏之; 今井 康友*

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器の設計成立性評価においては、伝熱性能や構造健全性に影響を及ぼす蒸気発生器内の3次元温度分布及び速度分布の評価が重要となる。特に、伝熱管プラグ時には、伝熱管相互の温度偏差による伝熱管の座屈が懸念されるため、その空間温度分布について高精度で把握する必要がある。このため蒸気発生器ナトリウム側多次元解析と水側二相流解析を組み合わせた連成解析コード(TSG)の構築を進めている。本研究では、実機評価への適用に向け、具体的な評価課題として複数本伝熱管プラグ条件を対象とした解析モデルを整備した。伝熱管プラグ時の温度分布解析により物理的に妥当な結果が得られ、プラグ伝熱管周辺部の温度上昇を定量的に評価できることを確認した。

口頭

高速炉蒸気発生器ナトリウム側-水側連成解析モデルの開発; 2重管小型モデル伝熱流動試験による検証

吉川 龍志; 今井 康友*; 田中 正暁; 長澤 一嘉*; 大島 宏之

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器の設計成立性評価においては、構造健全性に影響を及ぼす蒸気発生器の静特性、動特性及び流動安定性の評価が重要となる。蒸気発生器内の3次元温度分布及び速度分布の解析評価を目的として、ナトリウム側多次元解析モデル、水側マルチチャンネルモデル及びナトリウム-水熱交換モデルを採用したTSGコードを整備している。各モデルの再現性及び連携解析機能についての総合機能確認の一環として、実機SGと同じナトリウム加熱による2重管SG小型モデル試験を対象に検証解析を行った。複数の静特性試験ケースを対象に、試験で計測されたナトリウム側温度分布及び水側出口蒸気温度についてナトリウム側-水側連成解析による解析結果と比較した結果の妥当性を確認した。

口頭

高速炉直管型蒸気発生器解析評価システムの整備; 大型蒸気発生器体系における温度分布評価

吉川 龍志; 今井 康友*; 田中 正暁; 大島 宏之

no journal, , 

高速炉直管型蒸気発生器の熱流動評価や安全性評価への適用を目的として、ナトリウム側3次元解析と水側マルチチャンネル解析を組み合わせた連成解析システムの整備を進めている。本研究では、大型直管型蒸気発生器体系を対象に、ナトリウム出入口プレナム部を含む蒸気発生器全系を対象とした解析モデルを整備した。複数の伝熱管をプラグした条件を対象とした解析を実施した結果、管束部入口周方向流速分布及び伝熱管プラグ時の局所温度上昇を含む3次元非対称温度評価が可能であることを確認した。

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