高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,1; 数値解析によるガス巻込み現象再現精度の検証

大島 宏之; 田中 伸厚*; 江口 譲*; 西村 元彦*; 功刀 資彰*; 内堀 昭寛; 伊藤 啓; 堺 公明

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.316 - 328, 2012/12

https://doi.org/10.3327/taesj.J11.047

ナトリウム冷却高速炉の安定運転において、自由表面渦によるガス巻込みの防止が重要であるため、著者らはCFDに基づくガス巻込み評価手法の開発を行っている。本研究では、ガス巻込み解析を行うためのCFD手法に関する検討を行った結果、ガス巻込み現象の適切な数値解析を行うためには、十分な格子解像度、高精度離散化手法、過度に渦を減衰させない乱流モデルなどが必要であることを明らかにした。

ガス巻込みに関する流動数値解析; 差分法の適用性評価

西村 元彦*; 野中 嘉治*; 前川 勇*

JNC TJ9400 2005-002, 55 Pages, 2005/07

JNC-TJ9400-2005-002.pdf:74.29MB

実用化戦略調査研究において検討されているナトリウム冷却炉は原子炉容器のコンパクト化がはかられている。このため、これまでの炉に比べ冷却材流速が増大することから、自由液面から冷却材中にカバーガスを巻込まない設計とその予測手法の確立が強く要請されている。本件は、設計で遵守すべきガス巻込みの判定基準の策定に寄与するため、計算科学的手法をベースとした流動評価手法を確立することを目的として、ガス巻き込みの解析手法の構築および既往実験を元に詳細実験解析を実施するものである。 既往実験としては、矩形流路の中に角柱の障害物が存在ししかもその下流にはやはり矩形で模擬された吸込み管を設置した体系が用いられた。角柱によってカルマン渦が発生し、その中のあるものは吸込み管に吸収されガス巻き込み渦を形成する非定常現象を対象としている。 今回の数値解析では、乱流モデルの影響に注目した。層流モデル、標準k-モデル、RNG k-モデル、非線形k-モデルおよびk-モデルの5ケースを実施した。得られた結果は以下のとおりである。 1)カルマン渦の成長、流速と圧力変動および変動のピーク値の大きさ等を 比較すると、層流モデルがもっとも激しい変化、変動の大きい結果を示 し、RNGモデルが層流モデルに近い変動を示しランダム性も見ることが出 来た。 2)一方、k-モデル、非線形k-モデル、標準k-の順で流れの変動がより 減衰し規則的なおとなしい流れになっている。 3)今後、実験結果と詳細な比較検討が求められるが、渦の予測に対する乱 流モデルの適用性に関し定量的なデータが得られ、既往のCFDコードの適 用性に関する知見が蓄積できた。なお、解析はSTAR-CDコードを使用した。

ガス冷却高速炉の熱流動に関する検討

大島 宏之; 西村 元彦*

JNC TN9400 2002-072, 97 Pages, 2002/08

JNC-TN9400-2002-072.pdf:3.85MB

サイクル機構では、将来の高速炉の実用化像を構築することを目的として、実用化戦略調査研究(FS)を実施している。本報告は、FSで検討中の炉型候補概念のうちガス冷却高速炉を対象とし、ヘリウムガス冷却炉で検討されている被覆粒子型燃料について、また、炭酸ガス炉で検討されている重力落下式崩壊熱除去システムについて、それぞれの設計成立性を解析的に検討したものである。 ヘリウムガス冷却の被覆粒子燃料体に関する熱流力特性解析評価では、平成13年度設計案をベースに3次元解析モデルを構築し、多次元熱流動解析コードAQUAを用いて、定格運転条件、低流量運転条件、事故条件での熱流力特性解析、および被覆粒子燃料層入口面の圧損不均一の影響確認解析を実施した.これらの解析結果より、燃料層入口面の均一性が保たれる限り、いずれの条件においても燃料層内横方向流れは維持され除熱性能は確保できるものと判断される。但し、高圧条件において異常な低流量(O.5%以下)となる場合は、被覆粒子層内に上昇流が発生し温度が上昇することも完全には否定できないため、より正確な物性値・圧力損失相関式を取得し確認解析を行う必要がある。本解析に併せて、局所閉塞事象の考察および今後の設計の進展に伴い解決すべき熱流動的課題の摘出も行った。 炭酸ガス冷却炉の崩壊熱除去特性に関する解析評価では、炭酸ガス冷炉EGCRを対称として、貯水タンクから蒸気発生器(SG)への重力落下注水方式による崩壊熱除去時の熱流動特性を、一次元核-熱流連成ネットワークコードMR-Xにて解析評価した。解析では、自然循環崩壊熱除去時のSG隔離開始時刻、注水開始時刻および注水流量をパラメーターとし、除熱挙動に及ぼす影響を検討した。その結果、現実的想定条件としたSG隔離開始30秒、注水開始20分とした場合には余裕を持って燃料温度制限目安を満足した。また、EGCRでは、SG伝熱管の大きな熱容量が過渡時の除熱源となり、SG隔離開始時刻が60分を超える場合でも一次系内の加熱を防止する役割を担うことが明らかとなった。流動安定性については、流量逸走は生じないものの密度波振動が発生し流量変動が生じる見通しである。この振動周期は10分オーダーと長いため伝熱管の構造健全性への大きな影響は無いものと予想される。

燃料集合体局所閉塞冷却限界4サブチャンネル基礎水流動試験;閉塞物内温度分布への冷却材内部流れの影響

田中 正暁; 小林 順; 磯崎 正; 西村 元彦; 上出 英樹

PNC TN9410 98-024, 94 Pages, 1998/03

PNC-TN9410-98-024.pdf:3.49MB

高速炉の局所閉塞事故に関して,閉塞領域内被覆管のホットスポットの発生位置および温度を予測するための知見を得ることが重要となっている。本研究では,ポーラス状閉塞物の熱流動特性を調べる基礎研究として,燃料集合体内の4つの隣接するサブチャンネルを模擬した5倍拡大モデルの中心サブチャンネルに閉塞物を設置した水流動試験を実施した。閉塞物内の冷却材流れが,閉塞物内の温度場に与える影響を見るために,ポーラス状閉塞物の側面および上端面に流れを遮る閉止板を設置し,閉塞物内外の温度分布測定を行った。また,閉塞物周辺の流速分布をレーザ流速計および超音波流速分布測定装置を用いて計測すると共に,閉塞物上下流間の差圧を測定した。その結果,閉塞物内部の温度分布は周囲の流動場の影響を受け,ポーラス状閉塞物の場合,閉塞物上部では閉塞物側面からの水平方向流れが,閉塞物下部では下端面から流入する軸方向流れが,それぞれ閉塞物内部および模擬燃料ピン表面の冷却に寄与していることが分かった。閉塞物と接する模擬燃料ピン表面温度と健全サブチャンネル内冷却材温度とを用いてヌッセルト数(Nu)を求めた結果,Nu数はRe数の0.5-0.6乗に比例し,閉塞物と健全サブチャンネルとの熱伝達の場合,Re数依存性を決定しているのは閉塞物表面での熱伝達であることが分かった。また,最もNu数が大きいのはポーラス状閉塞物であり,側面閉止板を設置し水平方向流れを制限することによってNu数は約20%低下し,上端面に閉止板を追加するとさらに2%低下した,これらのことから閉塞物側面および上端面からポーラス状閉塞物内の冷却材への水平方向および軸方向流れによる熱伝達が重要な役割を果たしていることが示された。

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; 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。

高速炉の自然循環時のインターラッパフロー現象に関する実験研究;炉心冷却効果と自然循環流量低減効果の評価

桃井 一光; 林 謙二; 上出 英樹; 西村 元彦; 小柿 信寿

PNC TN9410 97-047, 93 Pages, 1997/03

PNC-TN9410-97-047.pdf:4.4MB

高速炉の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(DHX)を設けるDRACS(Direct Reactor Auxiliary Cooling System)を採用した場合、DHX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)が発生し、集合体内部をギャップ側から冷却し、炉心最高温度を低下させる効果が期待できる。その反面、DHXからの低温ナトリウムが上部プレナム底部に成層化し、更にIWFによる冷却で炉心部上部非発熱部の温度低下により、自然循環流量が減少して炉心部温度を上昇させることも考えられる。DRACSを採用する上では、IWFの冷却特性を把握しその有効性を明確にする必要がある。本報では、IWFの炉心冷却特性を自然循環状態下で把握する為、PLADTL-DHX装置による自然循環定常ナトリウム試験を実施した。熱出力および一次系ループの流動抵抗を主弁開度で変化させ、DRACS除熱でIWFを発生させたケースとPRACS(冷却器をIHX上部に内蔵する方式:Primary Reactor Auxiliary CoolingSystem)除熱でIWFが発生しないケースの自然循環流量および模擬炉心部温度を比較した。PRACSで除熱した場合に対するDRACSで除熱した場合の自然循環流量の低下は、周辺集合体通過流量で大きく現れ、中心集合体通過流量では小さい。これは、IWFによる冷却が中心集合体よりも周辺集合体で強く作用し、浮力ヘッドの違いから集合体間で流量が再配分されたと考えられる。また、一次系ループの主弁開度を15%以下にしてDRACSで除熱したケースでは、一部の周辺集合体で逆流が発生した。DRACSで除熱した場合には、自然循環流量の熱輸送による除熱の他に、IWFによるギャップ部からの冷却と逆流の発生により温度が低下した周辺集合体からの冷却が中心集合体に対して径方向から作用する。径方向からの冷却効果は自然循環流量が1.5%(実機定格比率)以下になってから顕著に作用し、中心集合体最高温度を低下させる。DRACSを用いた場合では、循環流量による除熱が期待できない様な自然循環流量が極めて少ない場合の炉心冷却に対して、IWFを含む炉内自然対流による径方向からの冷却効果が有効に作用することを確認した。

高速炉燃料集合体内非定常多次元熱流動解析へのミキシング係数モデルの適用

西村 元彦; 上出 英樹; 大島 宏之

PNC TN9410 96-289, 158 Pages, 1996/10

PNC-TN9410-96-289.pdf:5.83MB

高速炉の自然循環による崩壊熱除去時の炉心部においては,集合体間およびサブチャンネル間の流量再配分,集合体間熱移行,炉心プレナム相互作用ならびにインターラッパーフロー等の様々な形態とスケールを持つ現象が複雑に影響を及ぼし合いながら伝熱流動場を形成している。かかる複雑な現象を総括して取り扱う上で,多次元熱流動解析は最も有力な評価ツールである。これまでに動力炉・核燃料開発事業団では,大型炉ブランケット集合体を模擬した61ピン集合体を持つCCTL-CFR,および炉心燃料集合体を模擬した37ピン集合体を備えるPLANDTL-DHXの2種類のナトリウム伝熱流動試験体の実験解析による検証から,集合体間熱移行およびインターラッパーフローによる除熱現象を解析するためのモデル化手法を構築してきた。特に集合体内の解析については,1メッシュに1サブチャンネルを内包するスタガードハーフピンメッシュ分割を用いた多次元解析に,サブチャンネル解析で実績を持つミキシング係数モデルを導入し,定常実験の解析を通して検証を実施した。本研究では,このミキシング係数モデルを熱過渡解析に適用するための改造を実施した。具体的には,ミキシング係数の決定パラメータであるレイノルズ数およびグラスホス数の定義を,これまで用いていたバンドル加熱部平均の値から,局所量に基づく値に変更した。また,自然/共存対流域に発生するthermal plumeによる混合効果は,リチャードソン数に基づく関数を提案・導入し,強制循環時には作用しない定式化とした。さらに,サブチャンネル解析用に開発された工学モデルを多次元解析に適用することから,本解析手法とサブチャンネル解析との比較を実施し,定式化の整合性を確認した。その結果,PLANDTL-DHXの過渡実験解析による検証において,本手法による実験との誤差は,最高温度発生時刻のピーキングファクターに関して1.0%以内であり,計測誤差と同程度以下であった。また,サブチャンネル解析と本解析手法による計算結果は良く一致しており,両者の定式化およびミキシング係数モデルの適用方法が整合していることが証明された。これにより,熱過渡時に大きな集合体間熱移行を伴う燃料集合体を対象とした,ミキシング係数を用いた多次元熱流動解析手法の適用性が確認された。

高速炉の自然循環時集合体間熱移行現象に関する解析手法の開発; CCTLおよびPLAMTDTL試験に基づく検証

上出 英樹; 西村 元彦; 林 謙二; 桃井 一光; 三宅 康洋*

PNC TN9410 96-268, 79 Pages, 1996/09

PNC-TN9410-96-268.pdf:3.03MB

高速増殖炉の信頼性,安全性をさらに高める上で,スクラム後の崩壊熱除去に自然循環を活用することは大きな効果がある。すなわち,自然循環はポンプ等の動力源を必要とする動的機器に依存しないことから,除熱量が要求を満たせば崩壊熱除去機能の信頼性を高めることができる。自然循環時の炉心部の熱流動現象は,浮力と慣性力が影響しあう混合対流条件下におかれているため,炉心部の最高温度等を評価する上で,浮力の影響を考慮する必要がある。すなわち,集合体内の流量再配分による温度分布の平坦化,炉心部径方向温度分布に伴う集合体間の熱移行,等により強制循環時に比べて炉心内の温度分布は平坦化する。自然循環による崩壊熱除去を実現する上で、このような効果を考慮した炉心部の熱流動現象の評価手法を開発することが重要である。本報告では,自然循環時の集合体間熱移行の影響を含めた集合体内熱流動現象を解析できる手法としてAQUAコードを用い,複数の集合体を一括して解析する手法を開発し,実験解析に適用した結果について述べる。本手法では各集合体についてサブチャンネル毎に1個のコントロールボリュームをx-y-z3次元メッシュ体系の中で割り当てるメッシュ分割方式を採用し,サブチャンネル解析コード用に開発された軸方向流動抵抗などの相関式を直接持ち込んでいる。また,各集合体を独立した計算領域としてメッシュ分割する多領域モデルにより表現し,伝熱構造体モデルにより熱的に結合する。本手法を用いた解析結果を実験と比較することにより,集合体間に熱移行が存在する条件で,これにともなう集合体内の流量配分,再循環流などを合理的に解析できるとともに,集合体内温度分布,最高温度を評価できることを示して,開発した手法の検証を行った。