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小坂 亘; 内堀 昭寛; 岡野 靖; 柳沢 秀樹*
Proceedings of 20th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-20) (Internet), p.1150 - 1163, 2023/08
ナトリウム冷却型高速炉における蒸気発生器(SG)の安全性評価及び設計について、SG内伝熱管からの加圧水のリーク及びその後の事象進展の評価は重要である。解析コードLEAP-IIIは半経験式や1次元保存式などの低計算コストなモデルで構成されるために短い計算時間で水リーク率等を評価でき、革新炉開発における多様なSG設計の探求を加速させることが期待される。しかし、現在の温度分布評価モデルには、過度な保守性を示す場合があること、及びチューニングのために予備的な実験又は詳細な数値解析が必要とされて準備に時間がかかることに課題がある。これらを改善するため、より単純な計算原理に従い、機構論的な側面を持ちつつも高速計算可能なラグランジュ粒子法コードの開発に取り組んでいる。今回は、本粒子法コードに実装されている粒子ペア探索手法の効率化、及び粒子ペア探索を用いずに同等の結果を得るためのモデルの開発を行った。テスト解析を通して、これらのモデル改良による計算時間短縮効果を確認し、また、伝熱管破損判定に重要な伝熱管周囲の代表温度について、詳細な機構論的解析コード(SERAPHIM)による評価結果とよい一致を示すことを確認した。
小坂 亘; 内堀 昭寛; 高田 孝; 柳沢 秀樹*; 渡部 晃*; Jang, S.*
Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 11 Pages, 2022/03
ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG)の安全性評価のため、解析コードLEAP-IIIではSG内伝熱管の破損に端を発する伝熱管破損伝播を含む長時間事象進展中の水リーク率を評価する。LEAP-IIIは半理論式や1次元保存式で構成されるため、低計算コストで計算が完了するという利点がある。しかしながら、反応ジェットにより形成される温度分布についての評価モデルが実験結果より過度に広い高温領域を与えている。結果として、LEAP-IIIは過度に保守的な結果を示すことがある。より現実的な温度分布評価を与えるようにモデルを改良するため、工学的近似を用いた粒子法コードの開発を行ってきた。この手法では、ジェット挙動と化学反応について、Na-水反応と多次元多相流の方程式群を解く代わりに、いくつかの工学的近似を用いたニュートンの運動方程式により評価する。本研究では、粒子間相互作用力モデルを追加し、化学反応・気液相間熱伝達の評価モデルを高度化した。テスト解析を実施し、本粒子法の結果をSERAPHIM(Na-水反応と非圧縮性を考慮した多次元多相流についての機構論的解析コード)の結果と比較した。このテスト解析を通じ、粒子法が低計算コストで現実的な温度分布を評価するという点について基本的な適用性が確認でき、また、LEAP-IIIとの連成によって伝熱管破断予測が可能であることも確認した。
小坂 亘; 内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; Jang, S.*
日本機械学会論文集(インターネット), 88(905), p.21-00310_1 - 21-00310_9, 2022/01
仮にナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG: Steam generator)内部の伝熱管から加圧された水/水蒸気が漏えいした場合、管内外の圧力差のため高流速かつ高温の腐食性ジェットを形成される。このジェットが隣接する管に新たな破損を生じさせ、管破損が伝播する可能性がある。このような伝熱管破損伝播事象の評価はNa冷却高速炉の安全性評価において重要である。数値解析コードLEAP-IIIは、実験相関式や1次元保存式などで構成され、事象進展に伴う水リーク率変化を低計算コストで評価できるが、構成モデルのひとつである現在の反応ジェット温度分布評価モデルでは、いくつかの条件において高温領域を過度に広く評価する。低計算コストという利点を生かしつつ、この温度分布評価を精緻化するため、工学的近似に基づいたLagrange粒子法コードを開発してきた。本論文では、管群内の流体挙動評価に注目し、管近傍の粒子挙動に関する新しいモデルを構築した。本粒子コードと既往の計算流体力学コードを用いてテスト解析を行い、構築したモデルにより、ターゲット管内部に粒子が侵入しない、管周りに粒子が広がる、最終的に浮力方向への運動に帰結する、という基本的な挙動が示されることを確認した。
小坂 亘; 内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; Jang, S.*
Proceedings of 28th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 28) (Internet), 6 Pages, 2021/08
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器の安全性評価や設計において、ナトリウム-水反応で生じる多相流の影響を評価することは重要である。伝熱管より高圧水あるいは高圧水蒸気が漏洩した場合、腐食性で高温かつ高流速のジェットが形成され、隣接伝熱管の破損を引き起こす可能性がある。多数の伝熱管破損が発生することにより、冷却系における1次-2次系バウンダリの破損に至る。上述した現象の影響を考慮した水リーク率を短い計算時間で評価するために、数値解析コードLEAP-IIIが開発されてきた。しかしながら、現在のEAP-IIIでは、構成要素のひとつである温度分布評価モデルのために、いくつかの解析条件で過度な保守性を示している。この過度な保守性を適正化するため、新たに工学的近似を用いたラグランジュ粒子法を開発した。また、蒸気発生器内における水蒸気ジェットの時間発展を模擬するテスト解析を実施した。解析結果をSERAPHIM(圧縮性と化学反応を考慮した多次元多相流熱流動解析コード)による結果と比較した。このテスト解析により、本手法の基本的な適用性を確認した。
小坂 亘; 内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; Jang, S.*
第25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), 4 Pages, 2021/07
ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器の安全性評価において、伝熱管破損伝播の事象進展予測をするための解析コードLEAP-IIIの整備を進めている。構成モデルのひとつである反応ジェット温度場評価モデルは、条件によっては高温領域を過度に広く評価することがある。この点を改善すべく、反応ジェット挙動をラグランジュ粒子で表現し、工学的観点に基づくモデルを取り入れた解析手法を開発した。解析結果を機構論的ナトリウム-水反応解析コードSERAPHIMによる結果と比較し、開発したモデルの妥当性を検討した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; Li, J.*; Jang, S.*
Mechanical Engineering Journal (Internet), 7(3), p.19-00548_1 - 19-00548_11, 2020/06
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが重要な課題となっている。既往研究において、事象が終息するまでの長時間事象進展におけるウェステージ型破損伝播を評価対象とする解析手法が開発された。本研究では、ウェステージ型破損伝播に加え高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析モデルを開発、追加し、その妥当性を確認した。また、ナトリウム-水反応発生時の温度分布に対する評価精度を向上させるため、反応ジェットの挙動をラグランジュ粒子で評価する手法を開発し、その基本的な機能を確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 大島 宏之
日本機械学会論文集(インターネット), 86(883), p.19-00353_1 - 19-00353_6, 2020/03
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが重要な課題となっている。既往研究において、事象が終息するまでの長時間事象進展におけるウェステージ型破損伝播を評価対象とする解析手法が開発された。本研究では、ウェステージ型破損伝播に加え高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析モデルを開発、追加した。ナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施し、解析手法の妥当性を確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; Li, J.*; Jang, S.*
Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 6 Pages, 2019/05
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器における、高温ラプチャ型伝熱管破損伝播の発生有無を評価する解析モデルを開発した。液体ナトリウム中水蒸気噴出試験を解析し、同モデルの適用性を確認した。また、ナトリウム側温度分布評価の精度向上のため、Lagrange粒子により反応ジェットを模擬する解析モデルも併せて開発した。Lagrange粒子モデルを適用した解析では、噴出した粒子が、粒子-粒子及び粒子-伝熱管の相互作用により体系内に広がる挙動を確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之
Journal of Nuclear Science and Technology, 56(2), p.201 - 209, 2019/02
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Nuclear Science & Technology)ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無を評価することが重要な課題となっている。本研究では、既存の伝熱管破損伝播解析コードにおいて高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析手法を開発した。液体ナトリウム中水蒸気噴出試験を解析し、同解析手法の適用性を確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 大島 宏之
Proceedings of 11th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-11) (Internet), 6 Pages, 2018/11
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが重要な課題となっている。既往研究において、事象が終息するまでの長時間事象進展におけるウェステージ型破損伝播を評価対象とする解析手法が開発された。本研究では、ウェステージ型破損伝播に加え高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析モデルを開発、追加した。ナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施し、解析手法の妥当性を確認した。
内堀 昭寛; 高田 孝; 柳沢 秀樹*; Li, J.*; Jang, S.*
Proceedings of 2018 ANS Winter Meeting and Nuclear Technology Expo; Embedded Topical International Topical Meeting on Advances in Thermal Hydraulics (ATH 2018) (USB Flash Drive), p.1289 - 1294, 2018/11
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが重要な課題となっている。既往研究において、事象が終息するまでの長時間事象進展におけるウェステージ型破損伝播を評価対象とする解析手法が開発された。本研究では、ウェステージ型破損伝播に加え高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析モデルを開発、追加し、その妥当性を確認した。また、ナトリウム-水反応発生時の温度分布に対する評価精度を向上させるため、反応ジェットの挙動をラグランジュ粒子で評価する手法を開発し、その基本的な機能を確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 栗原 成計; 浜田 広次; 大島 宏之
JAEA-Research 2017-007, 61 Pages, 2017/07
JAEA-Research-2017-007.pdf:4.3MB
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器に対する安全評価では、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが必要である。既往研究において、ウェステージ型破損伝播を伴う長時間事象進展解析コードLEAP-IIが開発されたが、将来炉の新型SGでは水・蒸気系の高温・高圧化が指向されていることから、高温ラプチャ型破損伝播も評価対象に含めることが重要な課題となっている。そこで、本研究では高温ラプチャの発生有無を評価する解析モデルを構築し、LEAP-IIコードへ導入した。本解析モデル導入後の解析コードをLEAP-IIIとした。本解析モデルの機能確認として、伝熱管群の存在する体系におけるナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施した。本解析では水リーク管周辺における模擬伝熱管で高温ラプチャが発生する結果が得られ、解析モデルが正しく機能し、なおかつ保守的な評価結果を与えることを確認した。
栗原 成計; 梅田 良太; 柳沢 秀樹*; 大島 宏之
第16回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.9 - 10, 2011/06
高速炉蒸気発生器(SG)における伝熱管破損時には、高圧の水/蒸気がナトリウム(Na)中へ漏えいし、伝熱管束部にはNaと水との発熱反応によって高温・高速・腐食性の反応ジェットが形成される(Na-水反応)。この高温反応ジェットの熱的影響を受ける隣接伝熱管は、機械的強度の低下で内圧破裂(高温ラプチャ)し、破損伝播の可能性が懸念される。本研究では、隣接伝熱管への熱移行解析評価手法構築に不可欠となる伝熱管内(水側)の詳細な伝熱特性を把握することを目的として、高温ラプチャ評価上安全裕度が最も小さいとされるSG部分負荷運転条件である低質量流量・高サブクール水を通水した伝熱管に対し、反応ジェットを模擬した急速加熱試験を行った。伝熱管内表面温度及び熱流束を正確に推定し、それらの時間変化より管内の流動状況や伝熱特性を検討した。さらに、水側評価で用いる汎用ブローダウン解析コードRELAP5に適用されている伝熱相関式を改良した結果について報告する。
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。
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。
栗原 成計; 大島 宏之; 柳沢 秀樹*
no journal, ,
高速炉蒸気発生器では伝熱管からの水漏えいで生じるナトリウム-水反応により、高温かつ高腐食性の反応ジェットが形成される。高温の反応ジェットに曝される隣接伝熱管は、その機械的強度が低下し内圧によって破損する可能性がある。このため、高温ラプチャ現象を高精度に予測するには、伝熱管温度を詳細に評価する必要がある。そこで、ナトリウム冷却高速炉蒸気発生器の部分負荷運転条件である伝熱管に対し、ナトリウム-水反応を模擬した急速加熱試験を行い、伝熱管内表面での熱流束及び温度を推定して水側伝熱特性の空間特性を定性的に確認した。
栗原 成計; 大島 宏之; 柳沢 秀樹*
no journal, ,
実用高速炉(JSFR)の蒸気発生器(SG)において、伝熱管破損で生じうる隣接伝熱管の高温ラプチャ現象を予測するうえで、隣接伝熱管の詳細な温度評価が重要となる。このため、伝熱管温度の高精度予測を目的として、模擬伝熱管を用いた急速加熱試験を行い、低質量流量・高サブクール条件での水側伝熱特性について検討した。
浜田 広次; 柳沢 秀樹*; 大島 宏之
no journal, ,
Na-水反応時のウェステージにより減肉された伝熱管において、局所減肉を模擬した構造モデルと一様減肉を模擬した構造モデルの内圧破裂に対する強度の違いを検討し、一様減肉が保守的なモデルであることを確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 大島 宏之
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが重要な課題となっている。既往研究において、事象が終息するまでの長時間事象進展におけるウェステージ型破損伝播を評価対象とする解析手法が開発された。本研究では、ウェステージ型破損伝播に加え高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析モデルを開発、追加した。ナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施し、解析手法の妥当性を確認した。
内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 高田 孝; 大島 宏之
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において、伝熱管破損時のナトリウム-水反応現象の影響による破損伝播の発生有無と水リーク率を評価することが重要な課題となっている。既往研究において、事象が終息するまでの長時間事象進展におけるウェステージ型破損伝播を評価対象とする解析手法が開発された。本研究では、ウェステージ型破損伝播に加え高温ラプチャ型破損伝播を評価対象に含めるため、これに対応する解析モデルを開発、追加した。ナトリウム-水反応試験を対象とした解析を実施し、解析手法の妥当性を確認した。
小坂 亘; 内堀 昭寛; 柳沢 秀樹*; 岡野 靖
no journal, ,
ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器の設計及び安全性評価のために、伝熱管内部の高圧水の漏えいに起因する一連の事象を評価することは重要である。解析コードLEAP-IIIは実験相関式も活用して短い計算時間で事象進展中の水リーク率を評価できるようにしている。しかし、現在の漏えい水/水蒸気と冷却材Naとの化学反応により形成される温度分布を評価するモデルにおいて過度な保守性が出現するケースがある。本研究では、これを改善すべく、粒子法をベースとした新たな簡易解析コードを開発してきた。LEAP-IIIへ組み込まれることを前提に考慮する現象を限定することで計算負荷をおさえつつ、より合理的な温度分布評価を可能とするべく開発を進めている。本発表ではこの粒子法コードを概説し、予備的な解析を通して基本的な適用性を確認したことを述べる。
