核融合炉高熱負荷面の遠心力を利用した衝突噴流冷却の研究

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核融合炉のダイバータやリミッタ表面は30MW/m^2程度の大きな熱負荷が生じるため,この面の冷却技術を確立することが急務となっている.我々はこの高熱負荷面の最適な冷却方式として,半円形の曲率を有する2次元衝突噴流を利用した冷却を提案している.本年度は定常加熱条件下で,初年度をこえる高熱負荷条件を作るため,加熱面の設計をやり直し,最高80MW/m_2までの加熱可能な伝熱面および衝突噴流直下の限界熱流束の測定が可能な伝熱面を作成した.また,噴流速度は最高18m/sまでの高速流領域の局所の熱伝達率および限界熱流束の測定を行った.その結果,衝突噴流領域では最高57MW/m_2の大きな限界熱流束が得られた.また,噴流下流域では,気泡充満理論を発展したモデルにより限界熱流束の相関式を作成した.一方,下流域では,界面不安定理論より与えられる薄液膜のドライアウトを考えた従来の衝突噴流沸騰の機構に遠心力を考慮したモデルで,限界熱流束の相関式を改善した.さらに,自由界面噴流より,対抗面を設けた噴流が沸騰による液体の飛びチリを抑制し,下流域でより大きな限界熱流束を得ることができることを明らかにした.しかしながら,対抗壁を作ることにより,高流速条件下で,ノズル出口で渦流が発生する領域があり,この領域では,圧力が局所的に低下し,限界熱流束が異常に小さくなる領域があることが分かった.この点の改良が今後の問題として残った.昨年および今年度の研究の成果をふまえて,ITER核融合炉のダイバータ等の大きな熱流束部を水冷却噴流により冷却可能であることを確信し,このための設計研究を着手した.