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朝日 良光; 福田 茂樹; 白水 大貴; 宮田 晃志; 刀根 雅也; 勝岡 菜々子; 前田 裕太; 青山 雄亮; 新妻 孝一; 小林 秀和; et al.
JAEA-Technology 2024-024, 271 Pages, 2025/03
JAEA-Technology-2024-024.pdf:33.98MB
JAEA-Technology-2024-024-hyperlink.zip:31.96MB
東海再処理施設で発生した高レベル放射性廃液のガラス固化に用いるTVF3号溶融炉(以下、3号炉)を製作し、この溶融炉でガラス固化体18本分のガラスを溶融・流下するコールド運転を行った。ガラス原料には、ホット運転で処理するものと同等の廃液成分を非放射性元素で置き換えた模擬廃液とガラスファイバーカートリッジを使うことで、溶融ガラス液面に仮焼層を形成させた。TVF2号溶融炉(以下、2号炉)と3号炉の構造の違いに起因する溶融炉固有の温度特性を考慮し、運転操作に用いるパラメータには、2号炉で使ってきたものを修正して適用した。本試験の結果、溶融炉各部の温度推移を確認しながら適切に運転できるパラメータ値を見出すことができ、2号炉のコールド運転に比べ、溶融ガラス温度は高く、二つある主電極の冷却は片側あたり約1kW小さいとき、安定的に運転できることが分かった。主電極間のジュール加熱電力を39kW、主電極冷却空気流量を26Nm
/hで運転し炉底加熱方法を改良することで、流下前の炉底加熱時間をこれまでより2時間短い約5時間で完了できる見通しを得た。運転期間中は、炉内のガラス温度分布やケーシング表面の温度推移を計測し、今後のシミュレーションモデル開発に有効なデータが得られた。炉内の溶融ガラスの白金族元素濃度が飽和した後に、原料供給と流下を2日間停止する保持運転を行い、炉底部への白金族元素の沈降を遅らせる一定の効果があることを確認した。保持運転中に仮焼層の溶融過程を観察し、薄膜状の流動しない層が確認されたことから、流動計算で液面にNo-slip境界条件を設定する根拠を得た。流下ガラスの成分を分析して白金族元素の流下特性を調査した結果、運転中に溶融炉に蓄積する白金族元素の量は2号炉と比較して少なかった。溶融ガラスを全量流下した後の炉内には、残留ガラスやレンガ片などの異物は確認されなかった。白金族元素の蓄積による運転停止を判断する基準は、流下終了から炉底ガラス温度850
Cへ低下するまでの時間を10.3h以上、主電極間補正抵抗値を0.12
以下と試算したが、今後のホット運転の結果に応じ再検討が必要である。
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。
朝日 良光; 小高 亮
no journal, ,
ガラス固化技術開発施設(TVF)のガラス溶融炉を安定して運転するためには、運転中の溶融炉の温度変化や溶融ガラスの流動を把握することが重要である。これらの溶融炉で起こる現象の理解を助け、運転を支援するため、熱流動・電場解析と粒子挙動解析を連成した運転シミュレーションを行っている。2号溶融炉を対象にした計算では、2021年の運転後に確認された白金族元素堆積物が炉内で成長する原因の究明に活用した。新たに製作した新型溶融炉(3号溶融炉)では、一部の材料に2号溶融炉とは異なる熱物性のレンガを使っていることから、3号溶融炉運転シミュレーションに用いる物性データを新たに整備した。これを使って3号溶融炉の熱上げに要する時間を算出したところ、コールド試験(運転条件確認試験)で実際に要した時間とよく一致したことから、計算と物性データが妥当であると確認した。
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。
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。
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。
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。
朝日 良光; 小高 亮
no journal, ,
TVFガラス溶融炉では原料としてHAWを含浸したファイバーガラス製原料カートリッジを供給しており、溶融ガラス表面には溶融途中のカートリッジが浮遊し仮焼層が形成される。この仮焼層で形成される温度分布を表現可能な計算モデルを開発した。仮焼層はカートリッジと溶融ガラスの固液混相流としてモデル化し、粒子・流体間相互作用を考慮した。またカートリッジが浮遊することで生じる見かけ粘性の増加や、ジュール加熱電流の導電断面積と熱伝導率の減少を、固相粒子の濃度に応じた関数として流体の物性値へ導入した。これらを同時に考慮したTVF2号溶融炉を対象とするシミュレーションの結果、仮焼層領域で流速が緩慢になり、実際の溶融炉で観測される仮焼層での大きな温度勾配と仮焼層下部における溶融ガラスの温度推移を再現できた。