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報告書

TVF3号溶融炉の炉底に関する詳細構造

朝日 良光; 嶋村 圭介*; 小林 秀和; 小高 亮

JAEA-Technology 2021-026, 50 Pages, 2022/03

JAEA-Technology-2021-026.pdf:6.29MB

東海再処理施設では、使用済み核燃料の再処理に伴い発生した高レベル放射性廃液のガラス固化処理を、ガラス固化技術開発施設(Tokai Vitrification Facility; TVF)に設置した液体供給式直接通電型セラミック溶融炉(Liquid-Fed Ceramic Melter; LFCM)方式のガラス溶融炉にて行っている。LFCM方式のガラス溶融炉では、廃液に含まれる白金族元素の酸化物が析出して溶融ガラスの粘性が高まることで、溶融ガラスを流下し尽くした後にも粘性の高いガラスが炉内底部に残留する傾向がある。これがガラスの通電加熱特性に影響するのを防ぐため除去する必要があるが、この作業には時間を要する。固化処理を早期に完了するため、日本原子力研究開発機構では、白金族元素の炉内への蓄積量低減をねらった新しい炉へ更新する計画である。これまでの設計プロセスから、次期溶融炉の炉底・ストレーナ形状について複数の候補形状が考案されており、本報では、それらの中から、運転操作性や白金族元素粒子の排出性が現行溶融炉と同等以上の性能を持つ次期溶融炉の炉底・ストレーナ形状を選定する。はじめに、考案された3種類の炉底形状に対し、ガラス固化体1本分を製造する溶融炉の運転について3次元熱流動計算を用いてシミュレートし、溶融炉内のガラス温度分布の推移を比較した。これらの結果に溶融炉としての技術的・構造的な成立性を加味し、次期溶融炉の炉底形状には傾斜角45$$^{circ}$$の円錐形状を採用した。次に、5種類のストレーナ形状について3次元のCFD計算を用いて流路抵抗と炉底付近に滞留する高粘性流体の排出割合を見積もり、それぞれ、現行炉と同等以上の性能を持つことを確認した。また、アクリル製の炉底形状模型を用いたシリコーンオイルを充填・流下する実験を行い、流下中の流動場には流動抵抗を生じさせる渦が発生しないことを確認した。また、レンガ片による流下ノズル閉塞防止機能が十分な性能を持つことを確認した。これらの結果を踏まえてストレーナ形状を選定した。

口頭

TVF2号溶融炉における厚みのある白金族堆積形成を考慮したLagrangeシミュレーション

朝日 良光; 中島 正義; 菖蒲 康夫

no journal, , 

ガラス固化溶融炉の熱流動・粒子追跡の連成解析コードを用いたシミュレーションにおいて、厚みのある白金族粒子堆積領域の形成を表現できるよう、便宜的な粒子挙動モデルを適用した。これにより、厚みのある粒子堆積領域の形成状況、並びに適用モデルの設定により流下ガラス中の白金族濃度が変化することを報告する。

口頭

白金族元素の厚みのある堆積形成を考慮したTVFガラス溶融炉の運転シミュレーション

朝日 良光; 中島 正義; 菖蒲 康夫

no journal, , 

ガラス固化技術開発施設(TVF)の液体供給式直接通電型セラミック溶融炉では、長期間の運転に伴い白金族元素が炉内に堆積し、保守期間を設けてこれを除去している。保守時期を適切に選定することで廃液処理を効率化するため、白金族元素の堆積挙動を精度よく把握・予測することが本研究の課題である。白金族粒子を質点として扱うLagrangianモデルのシミュレーションコードが開発されており、溶融炉のシミュレーションに用いられている。これまでに、粒子間の接触抗力を模擬する便宜的な粒子挙動モデルを開発し、仮想的な運転条件において、厚みのある堆積領域の形成や、堆積が進行したときの炉底の温度上昇を表現可能であることを確認している。今回新たに熱流動電場解析の境界条件や入力パラメータを精緻化し、温度分布をガラス固化溶融炉の実測値に近づけた運転シミュレーションの計算モデルを構築した。このモデルを使って白金族元素の粒子挙動解析を行い、運転中の温度推移や流下ガラス中の粒子濃度について、実測値と比較可能な値を得た。

口頭

ガラス固化技術開発施設(TVF)における高放射性廃液の固化安定化に向けた取り組み,6; 次期溶融炉の詳細構造(ストレーナ形状について)

朝日 良光; 嶋村 圭介; 小林 秀和; 小高 亮; 守川 洋

no journal, , 

TVF次期溶融炉(3号炉)の基本構造である円錐45度炉底形状に適合するように、溶融炉の底部に設置しているストレーナ(流下ノズル閉塞防止のための部位)の形状に係る各パラメータ(角部の曲率等)を選定した。選定にあたっては、2号炉及び3号炉の炉底形状を模擬した実規模アクリル模型と溶融ガラスを模擬したシリコーンオイルを用いた流下試験を行うとともに、炉底付近に滞留する比較的高い粘性を持つ流体の流下時における流動場についてCFD解析を行うことにより、ストレーナの形状がガラス流動の特徴や抜出し率へ与える影響を評価した。

口頭

ガラス固化技術開発施設(TVF)における高放射性廃液の固化安定化に向けた取り組み,5; 次期溶融炉の基本構造(炉底形状について)

嶋村 圭介; 朝日 良光; 小林 秀和; 小高 亮; 守川 洋

no journal, , 

ガラス固化技術開発施設(TVF)のガラス固化処理期間の短縮に向けた方策の一つとして、これまで次期ガラス溶融炉(3号炉)への要求機能や施設側の前提条件, 制約条件を整理し、候補炉型式を検討してきた。本報告では、前報(4)で設定した複数の候補炉形式に対し、熱流動解析による相互比較及び技術課題/リスク検討の上、3号炉の基本構造について、円錐45度炉底形状とした。

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