原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

１．研究開発の背景とねらい

　原子炉燃料の開発においては、高温高圧の実機条件下で性能試験を行い、改良を繰り返すことが現状では必須となっている。しかしながら、この方法は高温高圧試験のため莫大なコストと時間を要する。そこで本事業では、高速軽水炉の開発のため、高温高圧の実機燃料内の気液二相流動を高機能代替流体（エタノールとエアコンガスHFC134a）により常温低圧下において再現し、それから得られる液膜データとサブチャンネル解析を組み合わせることで、除熱性能の高い稠密燃料の開発を格段に効率化する手法を開発する。

2. 研究開発成果

　図１に本実験装置概要を示す。作動流体には、主要な物性値が高温高圧下の水、蒸気と同程度である液体（エタノール）と気体(HFC134a)を用いた(実験圧力: 0.7MPa、実験温度：27℃)。ボイラ部⑨に液体の状態でHFC134aを注入し、ヒータ⑱で加熱し、飽和蒸気を生成後、過熱器で過熱蒸気にし、差圧流量計⑩で計測後、テストセクション①に下部より流入させ、液体（エタノール）はポンプ⑫で圧送し容積式流量計で計測後にテストセクション①に流入させた。テストセクションで鉛直上昇環状流となり、その後、気液分離器②で液体（エタノール）は下方に、蒸気（HFC134a）は上方にデミスタ⑰を介して分離し凝縮器③で凝縮させた。なお、実験中は絶えずテストセクション①の出口部圧力、温度を監視しHFC134aガスがテストセクション内部で凝縮しないことを確認した。テストセクションの内径は5mmで、高速軽水炉の等価水力直径を考慮して決定した。センサ間距離は5mmで定電流法（精度：± 5%）を用いて測定を行った。
　高温高圧条件下の蒸気-水系と大気圧下の窒素ガス-水系の気液の物性値は、ρG、σ、μL などが大きく異なる。それらの物性が液膜挙動に与える影響を検討するため、まず、気体の密度のみを変化させること（気液密度比ρL/ρG を29、227、453、および907）で、その影響について検討を行った。 図 2(a)は、液膜厚さ特性をj G に対してプロットしたものであり、jL =0.1m/sの場合の最小、平均、最大液膜厚さを示す。ここで最小液膜厚さtfmin 、最大液膜厚さtfmaxとは、液膜厚さの累積度数分布で累積度数が1%と99%に相当する液膜厚さ、平均液膜厚さtfmとは、液膜厚さを算術平均した値としてそれぞれ定義している。またjG、jLとは，それぞれ管断面を気相または液相が占めたと仮定した場合の見かけの流速を表す．図 2(a)の場合に、同じjG で比較すると、ρL/ρG が小さくなるに従って膜厚は徐々に小さくなっている。これはρL/ρG が大となることにより気液界面せん断応力が大となり、その結果として膜厚が小となったものである。一方、図 2(b)は横軸を気液界面のせん断応力とした場合の液膜厚さ特性を示す。この図よりtfmin、tfm、およびtfmaxは気液密度比に因らず、それぞれ上記で定義された液膜厚さに対して一本の線上にまとまるという極めて興味深いことがわかった。なお、この傾向はjL =0.1〜0.4 m/sと広い流量範囲においても確認された。このことは、気液密度比が大きく異なったとしても界面せん断応力を同程度にすれば、流れの状態が同様な流れになっていることを示唆している。なお、時々刻々の膜厚変動についても気液界面せん断応力が等しい条件で比較した結果、図3に示すように、同様の波形になることもわかった。
　本事業では、実験結果より得られるスペーサ増倍係数と組み合わせる計算コードにはNASCAを用いることとし、それによる液膜厚さ、液膜流量の解析結果と本事業で得られた実験結果を比較した結果、良好に予測出来ることがわかった。それから得られるスペーサが無い場合の限界出力の予測値と公開限界出力実験結果(1)との比較の結果、図 3に示すように、±20%以下で予測可能であることがわかった。なお加熱長さ、入口流量、入口サブクールが異なるデータについて解析を行ったが、全て限界出力は良好に予測できる結果が得られた。

3. 今後の展望

　今後はスペーサを挿入し、スペーサが液膜挙動に与える影響について検討するとともに、チャンネル形状を単管からロッドチャンネル形状に変更し、実際の低減速炉を模擬した試験と解析を実施していく予定である。

４．参考文献

(1) B.Thompson, R.V.Macbeth,”- Boiling Water Heat Transfer − Burnout in Uniformly Heated Round Tubes : A Compilation of World Data with Accurate Correlations”,AEEW-R356.