沸騰流中の障害物による液膜のドライアウトとバーンアウト発生機構の熱流動工学的研究

沸騰水型原子炉の熱工学的な設計上の制約は燃料棒支持用スペーサ近傍での熱除去に因ることが,実規模実験より確認されている.しかしスペーサ近傍の冷却材(水)の挙動と加熱管がバーンアウトへ至る機構は明確ではない.さらに前年度の研究成果を踏まえ,本年度はスペーサ近傍における液膜の消失およびバーンアウトへ至る機構を実験的により詳細に明らかにするとともにスペーサが下流に与える影響を解明することを目的とした.本年度,得られた主な知見は以下の通りである.1.スペーサ設置部を通過するじょう乱波により変動するスペーサ部の差圧を測定し,その差圧変動からじょう乱波通過間隔を詳細に測定し統計的に処理することでドライアウトおよびバーンアウト発生確率について興味深い結果を得た.つまりスペーサ上流側は,一旦ドライアウトすると液膜が再付着しにくいため,バーンアウトが発生しやすく,その反対にスペーサ内部ではドライアウトしてもじょう乱波の通過により液膜が付着しやすいため,バーンアウトの発生確率は低い.また,時々刻々のドライアウト発生を説明するには,二相流固有の非定常性を考慮する必要があること,およびバーンアウト発生において,スペーサがその下流に与える影響が非常に大きいことなどが明らかになった.2.実機ではスペーサが軸方向に複数個設置されているので,スペーサを2個設置した場合のバーンアウト発生の解明を目的として,特に上流側スペーサの下流に着目し,スペーサがその下流の熱流動現象に与える影響を明らかにした.つまり,スペーサはじょう乱波流れの液膜厚さを平均化し,その下流の基底液膜厚さを厚くする効果があり,それによって,スペーサ下流で液膜のドライアウトが起きにくくなるため,バーンアウト熱流束か増大する.さらにスペーサ近傍で発生するバーンアウトに対して二相流の非定常性を十分考慮した信頼性のあるバーンアウト発生モデルを提案した.この流動モデルを用いればより正確な限界出力の予測が可能になると考えられる.以上,一連の本研究で得られた結果は,従来より,長い間考えられてきたスペーサ直上流で発生するバーンアウト発生のシナリオを覆すものであり,限界熱流束の予測に関するサブチャンネル解析の機構論的モデルの開発に寄与する重要な結果を与えることができる.

沸騰水型原子炉の熱工学的な設計上の制約は燃料棒支持用スペーサ近傍での熱除去に因ることが,実規模実験より確認されている.しかしスペーサ近傍の冷却材(水)の挙動と加熱管がバーンアウトへ至る機構は明確ではない.さらに前年度の研究成果を踏まえ,本年度はスペーサ近傍における液膜の消失およびバーンアウトへ至る機構を実験的により詳細に明らかにするとともにスペーサが下流に与える影響を解明することを目的とした.本年度,得られた主な知見は以下の通りである.1.スペーサ設置部を通過するじょう乱波により変動するスペーサ部の差圧を測定し,その差圧変動からじょう乱波通過間隔を詳細に測定し統計的に処理することでドライアウトおよびバーンアウト発生確率について興味深い結果を得た.つまりスペーサ上流側は,一旦ドライアウトすると液膜が再付着しにくいため,バーンアウトが発生しやすく,その反対にスペーサ内部ではドライアウトしてもじょう乱波の通過により液膜が付着しやすいため,バーンアウトの発生確率は低い.また,時々刻々のドライアウト発生を説明するには,二相流固有の非定常性を考慮する必要があること,およびバーンアウト発生において,スペーサがその下流に与える影響が非常に大きいことなどが明らかになった.2.実機ではスペーサが軸方向に複数個設置されているので,スペーサを2個設置した場合のバーンアウト発生の解明を目的として,特に上流側スペーサの下流に着目し,スペーサがその下流の熱流動現象に与える影響を明らかにした.つまり,スペーサはじょう乱波流れの液膜厚さを平均化し,その下流の基底液膜厚さを厚くする効果があり,それによって,スペーサ下流で液膜のドライアウトが起きにくくなるため,バーンアウト熱流束か増大する.さらにスペーサ近傍で発生するバーンアウトに対して二相流の非定常性を十分考慮した信頼性のあるバーンアウト発生モデルを提案した.この流動モデルを用いればより正確な限界出力の予測が可能になると考えられる.以上,一連の本研究で得られた結果は,従来より,長い間考えられてきたスペーサ直上流で発生するバーンアウト発生のシナリオを覆すものであり,限界熱流束の予測に関するサブチャンネル解析の機構論的モデルの開発に寄与する重要な結果を与えることができる.