Advanced thermal-hydraulic experiments and instrumentation for heavy liquid metal reactors

Pacio, J.*; Van Tichelen, K.*; Eckert, S.*; Wondrak, T.*; Di Piazza, I.*; Lorusso, P.*; Tarantino, M.*; Daubner, M.*; Litfin, K.*; 有吉 玄; et al.

Nuclear Engineering and Design, 399, p.112010_1 - 112010_15, 2022/12

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.112010

加速器駆動システムや次世代高速炉の一次冷却材として、鉛や鉛ビスマス共晶合金(LBE)などの重液体金属(HLM)が提案されており、欧州では、MYRRHA(LBE)とALFRED(鉛)がHLMを用いたリファレンスシステムとして使用されている。本論文では、プール型とループ型のHLM実験に関するこれまでの経験と現在進行中の活動の概要について述べる。プール実験では、いくつかのシナリオにおける強制循環と自然循環のフローパターンの測定を実施しており、ループ試験では燃料集合体,制御棒,熱交換器のモックアップのような特定の構成要素の評価に重点を置いた試験を実施している。これらの試験では、流量や圧力差などの変数と、温度や速度、振動などのローカルな数量の測定を行っている。測定技術に関してはコンパクトな形状で正確な測定を行うために高温と腐食に耐えることができる高度な計測器が必要であり、従来の技術に加え、光ファイバーに基づく計測器、超音波や電磁力を利用した測定方法について説明する。

Application of noncontact type of ultrasonic flowmeter for high temperature LBE flow

大林 寛生; 八巻 賢一*; 北 智士*; 有吉 玄; 佐々 敏信

Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 11 Pages, 2022/03

原子力機構では、LBE流れに対し円管外に2つのセンサーを設置する非接触式の超音波流量計を開発した。解決すべき課題は計測配管内での信号の多重反射と固液界面での濡れ性である。これらに対し、固体-固体境界での臨界角の採用と配管内面に対する鏡面仕上げの改善による対応を実施した。350Cの温度条件における適用試験では、LBE流れに対する有用性が既に実証されているプラグ挿入式に相当する性能を示すことを明らかにするとともに、1500時間以上安定的な信号出力が得られることを実証した。

Measurement of liquid metal flows with electro-magnetic probe

有吉 玄; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011044_1 - 011044_6, 2021/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011044

To clarify the flow characteristics of liquid metal flows has sufficient importance for safety measures of severe accident such as piping rupture accident of steam generator in an ADS since the core reactivity is affected by bubbles coming into sub-critical fuel region. LBE has been chosen as one of the candidates of a spallation target and a coolant for such a reactor due to its adequate physical properties. However, the flow characteristics of such liquid metal flows have been poorly understood since the measurement techniques for the liquid metal flows are not well established. Therefore, in this study, an electro-magnetic probe (EM probe) has been developed for obtaining fundamental flow characteristics e.g. local liquid velocity and turbulence intensity etc. As a result, the EM probe was successfully applied to liquid metal flows. Measurement results having measurement error less than 10% were obtained. Details of the measurement techniques and experimental results will be presented.

鉛ビスマス試験装置データ処理ツールの製作

八巻 賢一*; 北 智士*; 大林 寛生; 有吉 玄; 斎藤 滋; 佐々 敏信

JAEA-Technology 2020-021, 26 Pages, 2021/02

JAEA-Technology-2020-021.pdf:2.34MB

計測機器のデジタル化が進むとともに、大型試験装置はPLC(Programmable Logic Controller)制御が主体となり、多くの試験装置がデジタル化されるようになった。また、データ記憶装置の大容量化により、PLCが管理する計測値を、実験期間全般にわたって記録可能となった。これらの記録から、鋼材の腐食試験時の環境の影響や、動特性試験時に生じた変化や異常等の現象を、多角的に分析することが容易になった。一方、長時間に及ぶ試験においては、記録されたデータ数が膨大になり、データ処理や異常を分析する際のデータ抽出に多くの時間と労力を必要とすることになった。また、PLC毎に異なるログデータ仕様にも注意し、正確にデータを整合する必要も生じている。そこで、現在核変換ディビジョンに設置する鉛ビスマス試験装置のPLCからのデータを、任意に抽出・結合・処理するためのツールを作成し、データ分析に要する作業の効率化を図った。

核破砕中性子源水銀標的の耐久性向上に向けた研究開発,1; ガス気泡の損傷抑制効果のメカニズムと損傷観察結果

粉川 広行; 川島 広之; 有吉 玄; 涌井 隆; 猿田 晃一; 直江 崇; 羽賀 勝洋; 二川 正敏; 祖山 均*; 久慈 千栄子*; et al.

no journal, , 

J-PARCの核破砕中性子源施設では、使用済み水銀標的容器の保管数削減の観点から、容器の耐久性向上が求められている。容器の長寿命化のために、水銀中にヘリウムガスの微小気泡を注入して、ガス気泡が陽子ビーム入射による水銀の熱膨張を吸収することで、損傷の要因となる圧力波を低減する運転を実施している。容器の損傷を観察した結果、ガス気泡の注入量増加によって損傷の抑制を確認した一方で、ガス気泡からの衝撃圧によるものと考えられる損傷を観察した。耐久性を向上するためには、微小ガス気泡によるキャビテーション抑制効果とガス気泡が発する衝撃圧力の相関を把握して最適な気泡条件を見出すとともに、照射損傷に対する材料の健全性評価及び異常診断技術の導入が重要となる。本報では、シリーズ発表の第1報として、高出力条件下での長寿命化を目指した水銀標的の研究開発の概要とガス気泡の攻撃によると考えられる損傷結果について報告する。

Development of an electromagnetic velocity sensor for local measurement in a high temperature heavy liquid metal

有吉 玄; 大林 寛生; 佐々 敏信

no journal, , 

Electromagnetic induction method is an effective technique for local velocity measurement in heavy liquid metals, such as lead-bismuth eutectic (LBE). For some conventional electro-magnetic probes, permanent magnet is incorporated. However, the probe performances unexpectedly vary because the permanent magnet is demagnetized as the temperature rises to the Curie temperature. Furthermore, such probes do not work for local velocity measurements over the Curie temperature. Therefore, in this study, a new electromagnetic probe equipping a miniature electromagnet was developed as a prototype sensor to overcome the temperature dependency of the permanent magnet. As a result, clear linearities between the velocities and the measured output voltages was confirmed regardless of the Curie temperature. Furthermore, static corrosion test in the LBE with 450C was performed by using the candidate materials of W, Mo and Zr, to upgrade durability of electrode material for the developed probe.

Effect of inner wall craking on the mercury flow induced vibration

前野 航希*; 有吉 玄; 筒井 喜平*; 猿田 晃一; 粉川 広行; Li, Y.*; 二川 正敏

no journal, , 

大強度陽子加速器施設(J-PARC)における核破砕水銀標的では、標的容器の寿命に影響を及ぼす因子として、容器内壁のキャビテーション損傷が問題視されている。これは、陽子入射に伴う水銀の熱体積膨張で生じる圧力波が、水銀中を伝播する過程において、容器内壁近傍にキャビテーション気泡を生成し、それらの気泡が崩壊する際に発生させるマイクロジェットが壁面を局所的に壊食させることで形成される損傷である。J-PARCにおける水銀標的では、マイクロジェットの抑制手法として、水銀の「流動効果(Flow effect)」を利用している。これは、標的容器内部に狭隘流路を設けることで、狭隘流路内の流速を高くし、キャビテーション気泡の成長およびマイクロジェットの射出速度を抑制するものである。さらに、バルク流路側の水銀中へ微小気泡を注入することで得られる「クッション効果」を利用し、マイクロジェットの発生原因となる圧力波の大幅な抑制も実施している。これらの手法により、キャビテーション損傷の大幅な低減に成功しているが、完全な低減には至っておらず、水銀標的の運転時においては徐々に損傷がバルク流路側内壁面に蓄積されているのが実状である。そこで本研究では、損傷が蓄積された場合に形成され得る流路内壁の亀裂損傷に着目し、標的容器内の流れ場に対する亀裂損傷の影響を数値的に明らかにすることを目的とした。その一環として、標的容器先端部の流路を二次元的にモデル化し、内壁部の模擬損傷幅を主なパラメータとした流動解析を行った。

二重壁構造を有する水銀標的内流れ場に対する内壁損傷の影響

前野 航希*; 有吉 玄; 猿田 晃一; 村田 篤*; 粉川 広行; 筒井 喜平*; Li, Y.*; 二川 正敏

no journal, , 

水銀を核破砕標的とするパルス中性子源では、陽子線励起圧力波による標的容器のキャビテーション損傷が問題視されている。このような損傷の抑制手法として、水銀中に混合された微小He気泡の圧縮性効果により圧力波を低減する手法や、標的容器内側に流路壁(内壁)を追加した二重壁構造によりキャビテーション気泡の成長を阻害し、その攻撃性を抑制する手法が採用されており、損傷の大幅な低減に成功している。しかし、損傷を完全に防ぐことは原理的に難しく、標的の運転条件によっては損傷が進行し、内壁部に貫通損傷が形成される可能性が指摘されている。そこで本研究では、二重壁流路体系で内壁部に生じ得るキャビテーション由来の貫通損傷を標的容器外部から検出する異常診断技術の確立を目指す。その一環として本稿では、貫通損傷が生じた場合の流れ場を、有限要素法による流動解析と水をモデル流体とした粒子画像流速測定法(PIV)で可視化し、流れ場に対する損傷の影響を調べた。