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論文

自由界面渦による気相巻き込み現象の定量評価

鳥川 智旦*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁

混相流, 36(1), p.63 - 69, 2022/03

ナトリウム冷却高速炉(SFR)において、炉容器上部プレナム内の自由界面で、自由表面渦によるカバーガス巻込みが発生し、巻き込まれたガスが炉心を通過することで炉出力の擾乱を生じる可能性がある。そのため、巻き込みガスの流量を正確に予測するための評価モデルの開発が重要となる。既往研究における単一渦のガス巻込み試験では、一般的に、ガス巻込みは上部タンクの自由表面渦によって引き起こされ、吸込み管によって下部タンクにおいてガスが液体から分離される。しかし、これらの研究では、上部タンクと下部タンクとの間の圧力差の影響に着目していない。本研究では、上下部タンク間の圧力差の影響に着目した単一渦のガス巻込み試験を行った。上部タンクと下部タンクとの圧力差は、下部タンクのガス圧力を変更して制御した。その結果、上部タンクと下部タンクの圧力差が増加するにつれ、巻込みガス流量も増加することが分かった。また、吸込み管内の旋回環状流の可視化により、巻込みガス流量が増加すると吸込み管内の圧力降下が大きくなることが分かり、旋回環状流領域における圧力降下に基づいた評価モデルによってガス巻込み流量を予測できることが示唆される。

論文

Gas entrainment phenomenon from free liquid surface in a sodium-cooled fast reactor; Measurements and evaluation on a gas core growth form the liquid surface

内田 真緒*; Alzahrani, H.*; 塩野 幹人*; 堺 公明*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁

Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 16 Pages, 2022/03

ナトリウム冷却高速炉の設計において、炉心反応度への予期せぬ影響の観点からカバーガスの巻込み現象が重要な課題の一つとなり、既往研究において高速炉プレナム内の自由液面部における自由表面渦のガスコア成長を評価するための、渦モデルに基づく評価手法が開発されている。本研究では、非定常渦のガスコア成長の予測精度を明確にするために、開水路試験体系を持つ回流水槽による水試験を実施した。また、実験と同じ体系による数値解析に基づいた評価手法によりガスコア長さを予測し、試験結果と比較した。その結果、試験では、下降流速が大きくなる下流領域においてガスコア長さが大きくなることが観測された。一方、数値解析結果を用いたガスコア長さの予測では、試験とは異なる位置でピークが現れ、ピーク値も過大評価となった。

論文

Parametric analysis of bubble and dissolved gas behavior in primary coolant system of sodium-cooled fast reactors

松下 健太郎; 伊藤 啓*; 江連 俊樹; 田中 正暁

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 9 Pages, 2019/05

ナトリウム冷却高速炉(SFR)では、炉心反応度擾乱等を防止する観点から一次冷却系統内に存在する非凝縮性ガスの量を制御することが重要であり、そのための数値計算コードSYRENAを開発している。本研究では、仮想的なタンク型炉を対象にフローネットワークモデルを構築して気泡・溶存ガス挙動の解析を行い、ループ型炉の解析結果との比較を行った。また、タンク型炉にディッププレート(D/P)を導入した場合を仮定し、D/Pを通るナトリウム交換流量および自由液面での気泡巻込み量をパラメーターとした解析を行ってタンク型炉の気泡挙動に対するD/Pの影響を調査した。その結果、D/Pを通過する交換流量の増加が必ずしも一次冷却系統内の気泡量の減少に働くとは限らないことが示された。

論文

Physics-basis simulation of bubble pinch-off

伊藤 啓; 小泉 安郎; 大島 宏之; 河村 拓己*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 3(3), p.15-00671_1 - 15-00671_9, 2016/06

The authors are developing a high-precision CFD code with an interface tracking method to simulate the gas entrainment (GE) phenomena in sodium-cooled fast reactors (SFRs), which might be caused by a highly-intensified free surface vortex. To simulate the complicated GE phenomenon, the authors' CFD code has physics-basis algorithms which model accurately the interfacial dynamic behavior, the pressure jump condition at an interface and the surface tension. Several verification problems, e.g. the slotted-disk problem, have been already solved and the accuracy of each individual algorithm is confirmed. In this paper, a basic experiment of the GE is simulated to validate the developed CFD code. In the experiment, the entrained gas flow rate is measured by image processing with a high-speed video camera. The simulation result of the entrained flow rate shows comparable value to the experimental data, that is, our CFD code is considered applicable to the evaluation of the GE in SFRs.

論文

Physics-basis simulation of bubble pinch-off

伊藤 啓; 小泉 安郎*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 6 Pages, 2015/05

近年、過酷事故時の燃料溶融などの複雑現象を評価するため、高精度数値解析モデルの開発が進められている。著者らも、高速炉におけるガス巻込み現象評価のために、高精度界面追跡法に基づく数値解析コードの開発を進めている。評価対象のガス巻込み現象は渦流れによって誘起され、渦中心線に沿った自由界面の窪みとその先端から発生する気泡離脱によって特徴付けられる。この現象を解析するため、気液界面の動的変形挙動や界面における圧力条件や表面張力に関して物理的考察に基づく解析モデル開発を行っており、基本検証問題によって解析精度を確認している。本研究では、ガス巻込み基礎実験における気泡巻込み現象を対象とした解析を行うことで、解析コードの検証を実施する。解析の結果、実験結果と同様の気泡巻込み流量が得られており、解析による高速炉ガス巻込み現象評価の妥当性が示されている。

論文

Evaluation of gas entrainment flow rate using numerical simulation with interface-tracking method

伊藤 啓; 大野 修司; 小泉 安郎*; 河村 拓己*

Proceedings of 10th International Topical Meeting on Nuclear Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-10) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2014/12

The gas entrainment (GE) due to free surface vortex is one of important issues in the safety study on sodium-cooled fast reactors. In this paper, the authors perform numerical simulations of a simple GE experiment. To simulate interfacial deformations accurately, a high-precision interface-tracking method is employed. Two kinds of fluids, i.e. water and silicone oil, are considered as the working fluid in the simulations and the flow rate is changed over a wide range as the simulation parameter for both fluids. As a result of the numerical simulations, the evaluated values of the entrained gas flow rates shows good agreements with the experimental data. In addition, both the simulation results and experimental data provide the entrained gas flow rate in proportional to the average velocity at the cylindrical tank outlet.

論文

渦中心軸方向流速の分布を有する渦モデルの開発と検証

伊藤 啓; 江連 俊樹; 大島 宏之

日本機械学会論文集(インターネット), 80(818), p.FE0299_1 - FE0299_9, 2014/10

高速炉において、ガス巻込みや液中渦キャビテーションを生じる可能性のある渦流れの評価が重要である。本研究では、渦中心軸方向流速の分布を有する新しい渦モデルを提案する。検証計算として新たな渦モデルを用いて基礎実験の評価を行った結果、実験結果とよく一致する流速分布と気液界面形状が得られた。また、Burgers渦モデルを用いた評価に関しては、一様な軸方向流速の仮定を用いる場合は正しい評価結果が得られないが、渦中心近傍の実効的な軸方向流速を用いることで精度の良い評価結果が得られることを確認した。

論文

Effect of physical properties on gas entrainment rate from free surface by vortex, 2

小泉 安郎*; 大手 直介*; 上出 英樹; 大野 修司; 伊藤 啓

Proceedings of 22nd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-22) (DVD-ROM), 7 Pages, 2014/07

A sodium-cooled fast breeder reactor is now at the developing stage in Japan. One concern for safety is cover gas entrainment into the sodium coolant. The gas entrainment rate into liquid by the vortex formed on the free surface was examined experimentally. Four kinds of test fluid were used; water at 25$$^{circ}$$C, water at 60 $$^{circ}$$C, 20 cSt silicone oil and kerosene. The gas entrainment rate into liquid was measured. The relation between gas entrainment rate and liquid velocity was mainly affected by the viscosity of liquid. As viscosity became large, higher exit velocity was required to get the same gas entrainment rate. No systematic trend by the surface tension was noticed in the gas entrainment rate. A flow state at the outlet piping has significant effect on the gas entrainment rate. The dimension of the outlet piping may become important to consider the gas entrainment rate in the vortex type region.

報告書

高温高圧ガスループ中のヨウ素沈着分布

松本 実喜夫; 遠藤 泰一; 伊藤 治彦; 板橋 行夫; 猿田 徹; 横内 猪一郎; 安藤 弘栄

JAERI-M 92-212, 62 Pages, 1993/01

JAERI-M-92-212.pdf:2.09MB

高温ガス冷却炉(HTGRs)の設計及び安全解析において、燃料から放出する核分裂生成物(FP)の1次冷却系への沈着・離脱挙動を把握することは重要である。JMTRでは、高温工学試験研究炉(HTTR)用燃料照射研究に用いている高温ガス冷却ループ照射装置(OGL-1)の1次冷却系に沈着するFP分布測定を原子炉運転中及び停止後にわたって行ってきた。その結果、ヨウ素の沈着が温度上昇に対して指数関数的に減少すること、表面が冷却されている2基の再生熱交換器に系内全ヨウ素の60%が沈着することを明らかにした。また、燃料照射温度が1500$$^{circ}$$Cの場合、ヨウ素放出率は1300$$^{circ}$$Cの約100倍になることを確認した。更に、本報では、原子炉運転中と停止後によるFP沈着・離脱に係る系内ヨウ素分布の変化について報告する。

口頭

渦によるガス巻込み現象の観察と巻込み気泡量の定量評価

大手 直介*; 小泉 安郎*; 上出 英樹; 大野 修司; 伊藤 啓

no journal, , 

A sodium-cooled fast breeder reactor is now at the developing stage in Japan. One concern for safety is cover gas entrainment into the sodium coolant. The gas entrainment rate into liquid by the vortex formed on the free surface was examined experimentally. It was found that the liquid viscosity has dominant effect on the gas entrainment phenomena. It was pointed out that the flow behavior in the horizontal part of the outlet piping and in the upward flow piping were important for the gas entrainment rate prediction.

口頭

高精度気液二相流数値解析手法の検証

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大野 修司; 河村 拓己*

no journal, , 

原子炉内の複雑気液二相流現象を高精度に評価することを目的として、界面追跡法に基づく数値解析手法の開発・検証を進めている。本件では、新たに開発した手法の検証として界面変形を伴う流れ場の数値解析を行った結果について報告する。

口頭

渦による自由液面からのガス巻込み現象観察と物性評価

大手 直介*; 小泉 安郎*; 上出 英樹; 大野 修司; 伊藤 啓

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉におけるガス巻込み研究の一環として、円筒容器内に形成される自由表面渦によるガス巻込み量の計測実験(高速炉カメラを用いたガス巻込み形態の可視化)を実施している。過去の研究では、試験流体として水を用いていたが、本研究では新たにケロシンとシリコンオイルを用いた試験を行い、流体物性がガス巻込み挙動に与える影響について評価する。

口頭

Manufactured Solutionを用いた高精度界面追跡法の検証

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

no journal, , 

本研究では、高速炉ガス巻込み現象を念頭に、渦流れによる気液界面の動的変形を対象としたManufacutured Solutionの開発を行う。まず、軸対称系において連続式と気液界面における条件式を満足する流速・圧力を決定し、また、界面くぼみが時間成長するとともにくびれが発生して気泡が千切り取られる挙動をモデル化した。基礎検証解析として正確な速度場を与えた上で動的界面輸送計算を行った結果、妥当な界面形状が得られたため、開発したManufactured Solutionが適切な検証問題となり得ることを確認した。

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