高速炉の自然循環崩壊熱除去時の冷却系統間相互作用に関する研究; 一次元ネットワークコードを用いた解析手法の検討

木村 暢之; 西村 元彦; 桃井 一光; 林 謙二; 上出 英樹

PNC TN9410 97-046, 69 Pages, 1997/04

PNC-TN9410-97-046.pdf:2.89MB

高速炉の信頼性、安全性を向上させるために、固有の性質を利用することが重要である。そこで、ポンプ等の動的機器に依存しない自然循環により崩壊熱を除去することが考えられている。特に、DRACS(Direct Reactor Auxiliary Cooling System)を採用した場合、炉内冷却器からの低温ナトリウムが集合体間ギャップへ潜り込むインターラッパーフロー(IWF)現象が炉心槽内で発生し得る。また、崩壊熱除去系、二次主冷却系等の冷却系統間での熱的相互作用が、一次主冷却系自然循環流量へ影響を与え、それに伴い、炉心部熱流動挙動も変化すると考えられる。そこで、当室では、自然循環時のシステム間相互作用の影響を把握することを目的として、DRACSおよびPRACS(Primary Reactor Auxiliary Cooling System)を模擬しているPLANDTL-DHX試験装置を用いた試験を実施し、炉心部熱流動現象に与える崩壊熱除去系および二次主冷却系の運転条件の影響を検討してきた。本報では、定常自然循環時の熱流動現象について、一次元ネットワークコードLEDHERを用い、IWFに相当する流路とラッパー管との熱伝達を考慮した解析モデルを作成し、解析手法の妥当性を評価した。解析は、IWFを考慮したモデルと、IWFを考慮しないモデルを作成し、一次主冷却系自然循環流量と炉心部熱流動現象について試験と解析の比較を行った。PRACSおよび中間熱交換器にて除熱したケースでは、IWFが発生しておらず、両モデルとも自然循環流量、炉心部温度分布および各機器(PRACS用冷却コイル、中間熱交換器)の出入口温度をほぼ模擬できた。DRACSにて除熱したケースにおいて、IWFを考慮しないモデルは、自然循環流量が実験よりも12%程度大きくなり、集合体間ギャップ温度分布も実験で見られた中性子遮蔽体領域での温度低下を模擬することが出来なかった。一方、IWFを考慮したモデルでは、自然循環流量は実験と比較し、3%以内の差で一致し、集合体間ギャップ等の炉内温度分布も模擬することが出来た。集合体間ギャップの温度分布が解析と実験で一致していることから、流動場についても本解析は、ほぼ実験を模擬できていると判断される。DRACSにて除熱したケースのIWFによる除熱の寄与は、模擬炉心出力が実機定格2%の時、IWFを考慮したモデルと考慮しないモデルでの集合体内流体の温度差から、模擬炉心出力の36%程度であることがわかった。

高速炉の自然循環崩壊熱除去時の冷却系統間相互作用に関する研究; 崩壊熱除去方式および2次主冷却系自然循環の影響

林 謙二; 桃井 一光; 西村 元彦; 上出 英樹

PNC TN9410 97-045, 68 Pages, 1997/03

PNC-TN9410-97-045.pdf:2.91MB

高速炉の自然循環崩壊熱除去時では、1次主冷却系の温度分布が自然循環ヘッドを介して炉心通過流量と相互に影響を及ぼし合う関係にある。このとき、1次主冷却系の温度分布は崩壊熱除去系、2次主冷却系による除熱の影響をうけるため、1次主冷却系の自然循環状態は各系統の自然循環状態と密接な関係にある。このような各冷却系統間の相互作用を明らかにするためにナトリウム試験装置であるプラント過渡応答試験施設を用いた定常自然循環試験を実施した。試験は中心に1体、その周囲に6体の計7体の模擬燃料集合体を炉心部として有する試験体を用い、大型炉の定格比2%相当の炉心発熱条件で1次主冷却系に自然循環を発生させ、崩壊熱除去系の型式および2次主冷却系の運転条件をパラメータとして実施した。本試験により、炉容器上部プレナム内に冷却器を有するDRACSを崩壊熱除去系として用いる体系について以下の点を明らかにした。DRACSと2次主冷却系での自然循環を模擬し、これらを併用して除熱した場合には、DRACSの除熱分担が多いほど上部プレナムに負の自然循環ヘッドが形成され、1次主冷却系の自然循環流量が少なくなる。したがって実機評価において2次系の状態を考慮することが必須となる。DRACSと炉心との間では、DRACSで冷却された上部プレナム内低温ナトリウムが集合体間ギャップ領域を対流するインターラッパーフローが生じる。インターラッパーフローは集合体の上部遮蔽体領域で顕著な除熱効果を有する。中心集合体の発熱部に対するインターラッパーフローの直接的除熱効果は小さいが、除熱量の大きい周辺集合体との間で生じる集合体間流量再配分を介して最高温度を抑制することを確認した。IHXの上部に冷却コイルを有するPRACSを崩壊熱除去系として用いる体系では、IHX全体が低温となり自然循環ヘッドが大きくなるため、炉心通過流量は2次主冷却系のみで除熱する場合よりも約10%、DRACSのみで除熱する場合よりも約20%多くなることがわかった。

高速炉の自然循環崩壊熱除去時のシステム間相互作用に関する試験研究; 炉心及び主冷却系の過渡熱流動現象の解明

桃井 一光; 林 謙二; 西村 元彦; 上出 英樹

PNC TN9410 96-280, 146 Pages, 1996/10

PNC-TN9410-96-280.pdf:5.8MB

高速炉における自然循環崩壊熱除去時の炉心部では強制循環時とは異なる複雑な熱流動現象が発生する。特に,冷却器を上部プレナム内に浸漬する方式の崩壊熱除去系DRACS(Direct Reactor Auxiliary Cooling System)を採用する場合は,炉内冷却器からの低温ナトリウムが炉心部の集合体間ギャップに潜り込み自然対流するインターラッパーフロー(IWF)現象などが炉心部で発生する。また,一次冷却系と中間熱交換器(IHX)二次系などの冷却系統間の熱的相互作用により一次系自然循環流量が変化する為,炉心部熱流動現象もその影響を受ける。本報では,自然循環時の炉心部熱流動現象に与えるシステム間の相互作用の影響を把握することを目的に,100万kW級大型炉のスクラム過渡から自然循環への過渡現象を模擬したシステム過渡試験を実施した。試験では崩壊熱除去系としてDRACSおよびPRACS(冷却器をIHXの上部に内蔵させる方式:Primary Reactor Auxiliary Cooling System)を模擬できるPLANDTL-DHX試験装置を用い,炉心部熱流動現象に与える崩壊熱除去系およびIHX二次系の運転条件の影響を検討した。DRACSを用いた場合では,一次系自然循環流量に対するDRACS運転および起動遅れの影響は小さく,IHX二次系自然循環による除熱が大きく影響した。IHX二次系自然循環を停止すると,IHX出口の温度上昇と伴に一次系流量は低下し,炉心部の温度が上昇した。また,一部の周辺集合体で逆流が発生した。逆流発生以降,集合体間熱移行およびIWFによる経方向からの冷却効果で炉心部の温度上昇巾が低下した。IHX二次系自然循環を継続した場合は,一次系流量として実機定格の約1%相当が確保された。この時,IWFによる冷却効果,逆流現象は顕著に現れず,一次系流量により炉心が冷却された。すなわち,DRACSを用いた場合には,一次系流量が低下してもIWFを含む炉内自然体流が付加的除熱パスとして機能し,炉心を冷却することが可能である。PRACSを用いた場合では,PRACSの運転条件が一次系自然循環に大きく影響し,IHK二次系の一次系自然循環への影響はDRACSに比べ小さいことがわかった。炉心部ではDRACSを用いた場合に見られるIWFなど径方向からの冷却効果は作用せず,主に一次自然循環流量による熱輸送が支配的となる。

Experimental Study of Core Thermohydraulics in Fast Reactors during Transition from Forced to Natural Circulation -Influenceof Inter wrapper Flow-

上出 英樹; 林 謙二; 桃井 一光

International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, Vol. 2, , 

高速炉の自然循環による崩壊熱除去時の炉心健全性を評価する上で、炉心部の熱流動現象を把握することは非常に重要である。特に、崩壊熱除去系として原子炉容器の上部プレナム内に冷却器を設ける体系では、冷却器からの低温ナトリウムが炉心部の集合体間ギャップに流入し、ギャップ内を自然対流する、インターラッパーフロー現象が生じることが考えられる。この現象は自然循環除熱時の炉心部熱流動に大きな影響があると予測される。そこで、7体の模擬集合体と集合体間ギャップからなる炉心部、炉内冷却器を有する上部プレナム等からなるPLANDTL-DHX試験装置を用い、定常並びに自然循環へ移行する過渡ナトリウム試験を実施し、インターラッパーフロー現象が集合体内熱流動および1次系自然循環へ与える影響を把握した。その結果、自然循環流量が極度に低下した条件においてインターラッパーフロー現象が炉心を冷却する効果をもつことを明らかにした。