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報告書

ワイヤスペーサ型燃料ピンのサブチャンネル内流動場に関する試験研究; 3本ピンバンドル体系における流動場の特性

檜山 智之; 相澤 康介; 西村 正弘; 栗原 成計

JAEA-Research 2021-009, 29 Pages, 2021/11

JAEA-Research-2021-009.pdf:2.25MB

ナトリウム冷却高速炉では、実用化に向けて燃料の高燃焼度化が求められている。高燃焼度の燃料集合体はスウェリングや熱的な燃料棒の変形によって局所的に除熱能力が低下することが懸念され、燃料集合体での冷却材流動挙動を予測評価することが重要である。本研究では、現象解明および熱流動解析コード検証用のデータベース構築を目的として、3本ピンバンドル体系の試験体を用いた流動場計測試験を実施した。現象解明の着眼点は、以下の(1)ワイヤスペーサ近傍を含めたサブチャンネル内の全体流況、(2)層流領域を含むレイノルズ数と流動場の関係、(3)ワイヤスペーサの有無が流動場に与える影響評価である。試験の結果、PIV計測によりサブチャンネル内の詳細な流動場データを取得し、3本ピンに囲まれたセンターサブチャンネルにワイヤスペーサが交差する際に隣のサブチャンネルへ逃げる流れとワイヤスペーサの巻き方向に対して追従する流れが生じることが分かった。層流領域のレイノルズ数条件では流速分布の傾向が遷移領域および乱流領域と大きく異なることを確認した。ワイヤスペーサのない体系と比較すると、層流領域においてもワイヤスペーサによるミキシングが生じていることを確認した。

論文

Velocity distribution in the subchannels of a pin bundle with a wrapping wire; Evaluation of the Reynolds number dependence in a three-pin bundle

相澤 康介; 檜山 智之; 西村 正弘; 栗原 成計; 石田 勝二*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 8(4), p.20-00547_1 - 20-00547_11, 2021/08

商用化を目指したナトリウム冷却高速炉では高燃焼度の炉心設計を指向している。ナトリウム冷却炉では燃料ピン間にワイヤスペーサを設けており、このスペーサの機能は冷却材流路の確保及びサブチャンネル間の混合促進である。高燃焼度化の燃料集合体では、熱伸びに起因する燃料ピンの変形により局所的な流量減少及びこれに起因する除熱能力の低下が懸念される。このため、ワイヤスペーサ型ピンバンドル内の流速場を理解することは重要となる。本研究では、層流域から乱流域まで条件下におけるワイヤスペーサ型ピンバンドル内の流速場を把握するため、3ピンバンドル体系試験装置を用いた試験を実施した。試験結果より、ワイヤから離れた位置において、Re数低下に伴い無次元化速度は増大することが明らかになった。また、ワイヤスペーサを外した体系での試験も実施し、層流域においてワイヤによる混合が生じていることを確認した。本研究の試験結果は、ピンバンドル内の流動場を理解するためだけでなく、コード検証にも資する。

論文

Investigation on velocity distribution in the subchannels of pin bundle with wrapping wire; Evaluation of Reynolds number dependence in 3-pin bundle

相澤 康介; 檜山 智之; 西村 正弘; 栗原 成計; 石田 勝二*

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 8 Pages, 2020/08

商用化を目指すナトリウム冷却大型炉は高燃焼度炉心を採用する計画である。高燃焼度化による燃料ピンの変形により、燃料集合体内の局所的な流速低下及び伝熱性能低下が懸念される。したがって、ワイヤスペーサ型燃料ピンバンドル部の詳細な流速分布を把握することが設計上重要となる。本研究では、3ピンバンドル体系水試験において粒子画像速度測定手法を適用して、サブチャンネル内の流速場を把握した。試験条件として$$Re$$数は270$$sim$$13500の範囲で実施し、層流から乱流まで幅広い条件下での流速データを取得した。試験結果より、$$Re$$数が高い乱流条件と比較して$$Re$$数が低い層流条件においては、ワイヤから離れた位置において無次元化した最大流速が増大する傾向が示された。さらに、ワイヤを外した体系での試験も実施し、ワイヤがサブチャンネル内の流動場に与える影響を確認した。これらの結果は、ピンバンドル部の流動場把握のためだけでなく、解析コードの検証データとしても有用である。

論文

Numerical analysis of EBR-II shutdown heat removal test-17 using 1D plant dynamic analysis code coupled with 3D CFD code

堂田 哲広; 檜山 智之; 田中 正暁; 大島 宏之; Thomas, J.*; Vilim, R. B.*

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Next Generation Nuclear Systems for Sustainable Development (FR-17) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2017/06

ナトリウム冷却高速炉は全電源喪失に至った場合でも自然循環によって炉心崩壊熱を除去することが期待される。原子炉安全の観点から、この場合の炉心最高温度は正確に評価されなければならない。このため、1次元プラント動特性解析コードSuper-COPDに3次元CFD解析コードAQUAを連成させ、自然循環時のプラント全体の熱流動を評価できる解析手法の開発を行っている。本研究では、開発中の連成コードの妥当性を確認するため、EBR-IIプラントで実施された自然循環崩壊熱除去試験の解析を実施した。その結果、得られた解析結果は測定データとよく一致し、連成コードの妥当性が確認された。

論文

高速炉模擬燃料集合体内ワイヤピン周りの詳細流動解析

菊地 紀宏; 大島 宏之; 今井 康友*; 檜山 智之; 西村 正弘; 田中 正暁

日本機械学会関東支部茨城講演会2015講演論文集, p.179 - 180, 2015/08

ナトリウム冷却型高速炉の経済性向上策の一つとして燃料の高燃焼度化が挙げられるが、その実現にはスエリング等による燃料ピン変形状態および変形時の燃料集合体内の熱流動現象を詳細に評価する必要がある。原子力機構では、燃料集合体熱流動詳細解析コードSPIRALを整備し、種々の検証解析を実施し、コード適用性を確認してきた。本報では、燃料ピン周りの詳細な速度分布が得られている3本ピン水試験を対象に試験解析を実施し、集合体内の速度場を精度よく再現できることを確認した。これにより、燃料集合体内ギャップ部における流れ場に対し、SPIRALに組み込まれたHybrid型乱流モデルが高い適用性を持つことを示した。

論文

Study on flow in the subchannels of pin bundle with wrapping wire

西村 正弘; 檜山 智之; 上出 英樹; 大島 宏之; 長澤 一嘉*; 今井 康友*

Proceedings of 9th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-9) (CD-ROM), 7 Pages, 2014/11

The detailed flow velocity distribution in the edge subchannel has been obtained by PIV measurement using a wire-wrapped 3-pin bundle water model. These flow field data like flow velocity distribution and fluctuation intensity near the wrapping wire are available for code validation.

論文

高速炉プラント動特性解析コードSuper-COPDによる「常陽」MK-II自然循環試験解析

檜山 智之; 堂田 哲広; 大島 宏之; 岩崎 隆*

日本機械学会論文集,B, 78(787), p.468 - 470, 2012/03

高速炉プラント動特性コードSuper-COPDの自然循環への適用性を評価するため、「常陽」MK-II自然循環試験を対象とした解析を実施した。解析では、炉心から中間熱交換器(IHX)までの、1次系統の自然循環挙動に注目し、計算結果と試験測定値の比較を行った。その結果、炉上部プレナムの冷却材混合モデルがフローコーストダウン後の自然循環流量挙動に大きく影響することを確認した。そして、炉上部プレナムについて、自然循環時の温度成層化を考慮した軸方向の計算メッシュ分割数が可変となるモデル、及び適正な冷却材混合容量を設定することで、1次系統の自然循環流量と炉心出口ナトリウム温度は試験測定値とよく一致することを確認した。

論文

高速炉プラント動特性解析コードSuper-COPDによる「常陽」MK-II自然循環試験解析

檜山 智之; 堂田 哲広; 大島 宏之; 岩崎 隆*

第16回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.217 - 218, 2011/06

高速炉プラント動特性コードSuper-COPDの自然循環事象への適用性を評価するため、「常陽」MK-II自然循環試験を対象とした解析を実施した。解析で1次系統の各機器モデルについて検討を行った結果、炉上部プレナムの冷却材混合モデルがフローコーストダウン後の自然循環流量挙動に大きく影響することを確認した。そして、炉上部プレナムについて自然循環時の温度成層化を考慮した軸方向の計算メッシュ分割数が可変となるモデルを設定することで1次系統の自然循環流量及び炉心出口ナトリウム温度は試験測定値とよく一致することを確認した。

報告書

JMTRのコンクリート構造物,冷却設備及びユーティリティ設備等の健全性調査概要

海老沢 博幸; 花川 裕規; 浅野 典一; 楠 秀彦; 箭内 智博; 佐藤 信一; 宮内 優; 大戸 勤; 木村 正; 川俣 貴則; et al.

JAEA-Technology 2009-030, 165 Pages, 2009/07

JAEA-Technology-2009-030.pdf:69.18MB

2007年度から開始するJMTR原子炉施設の改修工事に先立ち、「継続使用する設備・機器」の健全性調査を実施した。調査範囲は、原子炉建家を筆頭に、排気筒,一次冷却系の塔槽類,カナルエキスパンドジョイント,UCL高架水槽,二次系冷却塔及び配管,非常用発電機等、多岐にわたった。その結果、一部補修を要する部分が確認され補修を行ったが、今後の長期保全計画に沿った保守管理を行うことで、十分な安全確保と長期使用に耐えうることが確認された。原子炉更新課は、以上の健全性調査の結果を踏まえて改修工事を進めている。

報告書

評価済み溶解槽模擬臨界実験体系に基づく臨界計算コードのベンチマーク解析

奥野 浩; 高田 友幸; 吉山 弘; 三好 慶典

JAEA-Data/Code 2005-001, 117 Pages, 2005/11

JAEA-Data-Code-2005-001.pdf:9.37MB

燃料棒配列が燃料溶液中に存在するいわゆる溶解槽模擬体系に対し、現在、日本で臨界安全評価に使用されている典型的な臨界計算コードMCNP, MVP, SCALE, JACSを対象にベンチマーク解析を行った。ベンチマーク解析には、国際臨界安全ベンチマーク評価プロジェクト(ICSBEP)ハンドブックに記載されている日本原子力研究所の低濃縮ウラン非均質炉心の1評価5臨界点の臨界実験体系及び米国バッテル・パシフィック・ノースウェスト研究所のウラン・プルトニウム混合系非均質炉心の2評価16臨界点の臨界実験体系を用いた。解析の結果、中性子増倍率の最低値は、MCNP, MVP, SCALE, JACSそれぞれに対して0.993, 0.990, 0.993, 0.972となり、最大許容増倍率0.95を2%から4%上回った。

口頭

電磁流体への外部磁場印加に関する有限要素解析

檜山 智之; 大島 宏之; 山口 彰*; 高田 孝*

no journal, , 

高速増殖炉の2次系冷却材配管では温度差のある液体ナトリウムが合流する場合があり、これによる流れの変化から生じる周期的な温度変動が配管壁面に伝わるサーマルストライピング現象が配管構造材の熱応力疲労の原因となり、問題視されている。液体ナトリウムは電磁流体であり、磁場印加によってローレンツ力を発生させ、外部から流れを制御することによって、サーマルストライピングの周期的温度変動を緩和することができると考えられる。本研究では、外部磁場印加による温度変動の緩和効果を定量化するために有限要素法を用いて電磁流体の熱流動解析コードを開発した。また開発コードを用いてT字配管における温度差のある電磁流体の合流を模擬した体系の数値解析を実施した。外部磁場印加の条件としては温度変動の緩和を目的とした「梯子型磁場印加」と「包囲型磁場印加」の2種類の方法を考案し、磁場を印加しない条件の数値計算結果と比較することで各磁場印加方法の温度変動緩和効果を評価した。温度変動の評価指標としては温度変動強度やパワースペクトルなどを用いている。

口頭

プラント動特性解析コードSuper-COPDの整備,9; 「常陽」MK-II自然循環試験解析

檜山 智之; 堂田 哲広; 大島 宏之; 岩崎 隆*

no journal, , 

プラント動特性コードSuper-COPDの整備の一環として「常陽」MK-IIの自然循環試験の解析を実施し、自然循環へのコードの適用性を検討している。自然循環評価に重要な物理現象である中間熱交換器(IHX)の熱交換特性に着目し、自然循環特性に対するIHXモデル化の感度を確認する解析を実施した。「常陽」のIHXには内部にバイパス流が存在することから、これらを模擬したモデルとバイパスを除いたモデルを作成した。その結果、IHX内のバイパス流のモデル化によって、バイパス内で起こる逆流を再現でき、これが1次系統の自然循環特性に影響を与えることを確認した。

口頭

プラント動特性解析コードSuper-COPDの整備,10; 「常陽」MK-II自然循環試験解析,2

檜山 智之; 堂田 哲広; 大島 宏之; 岩崎 隆*

no journal, , 

高速炉プラント動特性コードSuper-COPDの整備の一環として「常陽」MK-II自然循環試験解析を実施し、自然循環へのコードの適用性を検討している。本研究では重要現象を考慮した機器モデルを結合して1次系統の全体モデルを構築し、自然循環による炉心除熱特性に着目した評価を行った。解析の結果、炉上部プレナム内の冷却材混合モデルはフローコーストダウン後の自然循環流量挙動に大きく影響することを確認した。そして、炉上部プレナム内のミキシングボリュームを適正に見積もることで、1次系統の自然循環流量と炉心出口ナトリウム温度の過渡は試験測定値とよく一致することを確認した。

口頭

プラント動特性解析コードSuper-COPDによる「常陽」MK-II自然循環試験解析

檜山 智之; 堂田 哲広; 大島 宏之; 岩崎 隆*

no journal, , 

高速炉プラント動特性解析コードSuper-COPDの自然循環崩壊熱除去への適用性を評価するために常陽MK-II自然循環試験を対象に解析を実施した。原子炉トリップ後の系統流量の低下によって生じる炉上部プレナム内の流況及び温度分布の変化に対して、その混合形態を判定するリチャードソン数の値を適切に設定することで原子炉容器出口の温度低下傾向を再現できることを確認した。

口頭

破損した燃焼燃料の臨界安全評価; 基本的パラメータの算出

須山 賢也; 戸塚 真義; 内山 軍蔵; 高田 友幸*

no journal, , 

原子炉の廃炉で必要となる燃料の取り出しに向けた検討が実施されているが、核燃料が破損しているため元の形状が保持されている保証はなく、さらに燃料の組成や配置その他のパラメータも不明であるため、臨界安全評価においてどのような仮定を置いたとしても、それが非保守的あるいは過度に保守的ではない現実的な設定であるかの合理的な判断を下すことが困難である。そのため破損燃料の臨界安全評価手法の開発に着手するにあたり、今後の臨界安全評価に資する最も基本的な臨界パラメータを算出することとした。

口頭

高速炉燃料ピンバンドルのサブチャンネル内詳細流動場測定

西村 正弘; 檜山 智之; 上出 英樹; 大島 宏之; 長澤 一嘉*; 今井 康友*

no journal, , 

ナトリウム冷却型高速炉では、燃料の高燃焼度化、高線出力化の指向により燃料ピンやラッパ管の変形による冷却材流路の変化が懸念され、燃料健全性に及ぼす影響を評価する必要がある。これまでに、ワイヤスペーサ型3本ピンバンドル試験体のサブチャンネル内のワイヤ近傍領域について、PIV可視化画像解析から求めた平均流速分布を分析することにより、渦流れの発現について観測した旨と、解析コードSPIRALを使用して検証解析を実施した結果、渦流れの発現について定性的傾向が再現されていることを報告している。今回の報告では、サブチャンネル内のワイヤ近傍領域において、流動場(流速ベクトル,変動強度,圧損)の定量的評価を実施するとともに流速ベクトルについてはLDV計測によってクロスチェックした結果についても報告する。また、解析コードSPIRALによる参考計算との比較結果についても報告する。

口頭

ワイヤスペーサ型燃料集合体におけるサブチャンネル内流動挙動に関する研究

西村 正弘; 檜山 智之; 上出 英樹; 大島 宏之; 長澤 一嘉*; 今井 康友*

no journal, , 

ナトリウム冷却型高速炉のワイヤスペーサ型燃料集合体内流動挙動解明の一環として、部分体系モデルを用いてPIV, LDVによる詳細な流動場計測を実施し、その流動特性を明らかにした。

口頭

高速炉燃料集合体内ワイヤラッパピン周りのPIV詳細速度場計測

檜山 智之; 西村 正弘; 上出 英樹; 大島 宏之; 長澤 一嘉*; 今井 康友*

no journal, , 

高速炉の燃料集合体内の燃料ピン周りの熱流動現象の把握および解析コードの検証用データの取得を目的として、ワイヤースペーサ型燃料集合体内から一つのサブチャンネルを取り囲む3本の燃料ピンを模擬したピンバンドル体系での水試験を実施した。試験体のワイヤとピンの材質には作動流体の水と屈折率が近く光透過率が高いフッ素加工樹脂を使用し、粒子画像計測法(PIV)を用いてワイヤラッパピン周りの詳細な速度場のデータを計測した。PIV計測結果について数値解析コード(SPIRAL)による解析結果との比較により、物理的に適切に説明できることを確認し、計測結果の妥当性を確認した。今後、本試験は、燃料集合体内熱流動評価データベースのベンチマーク問題として解析コードの検証に提供される。

口頭

「常陽」自然循環試験を用いた動特性解析コードSuper-COPDの検証

鍋島 邦彦; 堂田 哲広; 檜山 智之; 大島 宏之; 森 健郎; 大平 博昭

no journal, , 

高速実験炉「常陽」で行われた自然循環試験データを用いて、1次元動特性解析コードSuper-COPDの炉心部分を詳細な全集合体熱流動計算モジュールに置き換え、全体モデルを組み込んだコードの検証を行い、自然循環時における炉心及び冷却系統の熱流動挙動が定量的に評価できることを確認する。

口頭

マルチスケール解析によるナトリウム冷却高速炉の熱過渡現象評価手法の整備,1; 解析手法整備の概要

田中 正暁; 檜山 智之; 村上 諭*; 堂田 哲広; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉の更なる安全性強化の観点から、熱過渡現象評価手法の高度化を目的として、複数の解析コードを連携させ、プラント全体挙動から、炉上部プレナム等の多次元熱流動現象評価、さらに局所的な構造健全性評価を対象とする解析評価手法を整備する。本報では、その整備概要について報告する。

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