【研究開発項目１】(1)TRU燃料集合体組立時の燃料バンドル冷却評価ツールの整備

【研究開発項目２】(2)TRU燃料集合体組立時の冷却システム概念の構築

【研究開発項目３】(3)PIVデータ活用によるミクロ評価ツールの検討

【研究開発項目１】TRU燃料集合体組立時の燃料バンドル冷却評価ツールの整備
　燃料バンドルフルモックアップ除熱試験のための試験装置を製作した。この試験装置を用いて燃料バンドルフルモックアップ定常状態除熱（以下、定常除熱）試験を行い、燃料バンドル内の温度場を測定し、被覆管最高温度および発生位置と除熱方法との関係を求めた。その結果、被覆管最高温度が燃料バンドル上端側のほぼ中央部に発生すること、ほぼ発熱量に比例し入口流速に反比例することが判明した。燃料バンドルとバッフル板間ギャップ（以下、ギャップ）を通過する燃料ピン冷却に寄与しない無駄流量が多い状況であるが、被覆管最高温度は健全性維持のために十分な条件である200℃以下に保ちうることがわかった。
　上記で製作した試験装置を用いて、定常除熱時のバンドル出口部の温度計測を行い、ラッピングワイヤによる軸方向温度分布への影響を検討した。バンドル出口部近傍では、ラッピングワイヤが燃料ピン同士の間に入り流路を閉塞する位置にあると空気の温度が低い傾向を示すこと、バンドルに切欠がある側（内部ダクト設置側）の流動抵抗が小さいために空気のバンドル切欠側への流れが生じバンドル切欠側出口部の温度が高くなることが判明した。定常除熱時の燃料バンドル出口領域での空間流速分布を超音波加湿器により発生させた水滴粒子によりPIV計測を行った。軸方向の流速分布に関しては、ラッピングワイヤが燃料ピン同士の間に入り流路を閉塞する位置にある場合、ラッピングワイヤが流路を閉塞しない位置にある場合に比べて出口流速が遅いことが判明した。またバンドル出口部とギャップ部の流速を比較した結果、バンドル出口部の流速が殆どゼロに近いのに対してギャップ部の流速がバンドル入口部に比べて大きくなることが確認された（例：バンドル入口流速1m/s時、ギャップ流速が約4m/s）。また、バンドルに切欠がある側と非切欠側を比較すると切欠側の方が非切欠側よりも流速値が大きく、バンドル切欠側では周囲の流体の巻き込み量が少ないと推定した。
　TRU燃料集合体組立時の燃料バンドル冷却評価技術として、２種類の解析ツールを、a)サブチャンネル解析コードについて整備、b) 汎用多次元熱流動解析コード(FLUENT)についてモデル構築を行った。
　a)サブチャンネル解析コードの整備では、冷却システム構築のためのパラメータ解析に適するように横置きラッピングワイヤ型バンドルに特化した定常評価モデルの整備を終了し、非定常評価モデルの外部境界の解析モデルへの組込みを行った。
　b)項における検討を受けた圧力損失モデルおよび伝熱相関式のモジュール化を行い、定常除熱試験の予備解析を実施した。その結果、測定された温度場と概ね一致し、サブチャンネルコードの定常解析への適用見通しが得られた。非定常評価モデルについては出口、入口境界に解析領域を付加した。
　b) 汎用多次元熱流動解析コードのモデル構築では、MITのクロスフロー実験の数値シミュレーションによる再現実験を通してクロスフロー圧損評価のモデルとしての分布抵抗モデル（DRM）を検討し、DRMモデルのラッピングワイヤ影響因子（E関数）の修正を行うことでDRMモデルが定常除熱試験に適合することを確認した。次いで比較的粗い計算格子を用いてラッピングワイヤを含む燃料集合体の3次元メッシュの構築を実施した。ラッピングワイヤを含む燃料集合体の3次元メッシュによる解析を行い、メッシュの大幅増大（約1000万）により温度場は大きく改善されるが速度場には改善が見られず、通常のトポロジーによるメッシュ分割方法の適用には限界がある（特にラッピングワイヤのモデル）ことが判明し、本研究で開発したTRU燃料集合体体系に特化したメッシュジェネレータの適用が不可欠であると判断した。
　当初予定では、ラッパ管装着後の軸方向冷却状態の試験は本研究の対象外としていたが、分科会にて軸送風冷却データ取得が本システム成立性判断に不可欠であること、JAEA殿よりデータの取得時期を早める必要があることが指摘されたため、工程を早め、平成20年度中に裸バンドルの過渡試験を終了させ、平成21年度初期から軸方向冷却試験（過渡試験含む）を追加実施することとした。

【研究開発項目２】TRU燃料集合体組立時の冷却システム概念の構築
　定常除熱試験結果を踏まえて、冷却に適したシステム概念の検討を行った。燃料バンドルとバッフル板（支持板）間のギャップ（5mm）を通過する過大な空気流量を抑制するための構造を3種類（フラップ方式、エアーカーテン方式、バッフル板移動方式）考案した。また、ラッパ管装荷方法を検討し、装荷時にバンドル構成ガイドおよびバッフル板を漸次収納する構造を考案した。今後、項目１で開発するサブチャンネルコードを用いたパラメータ解析結果を反映して、当初予定したラッパ管装着前の横方向冷却システム構造設計を行うとともに、ラッパ管装着後の軸方向冷却設備の構造設計を行う予定である。

【研究開発項目３】PIVデータ活用によるミクロ評価ツールの検討
　少数ピンモデル試験装置を用いて、冷却ブロワー風量をパラメータとした、2次元定常非発熱体系（等温流速場）での燃料ピン・ワイヤ周りのPIV計測を継続し、終了した。燃料ピン内から直角プリズムによりレーザーを隣接サブチャンネルに投射する手法の適用により、3本のピンで囲まれたサブチャンネル内のミクロな流速場データの取得が可能となり、ワイヤ取り付け角度と風量をパラメータとして、ピン狭隘部におけるPIV計測を実施した。ワイヤがサブチャンネル中央に向いている場合には偏流は生じ難く主流はほぼ対称性が保たれるのに比べ、ワイヤが燃料ピン同士の間に入り、流れを閉塞すると、閉塞しないギャップ側で主流が大きくなるとともにワイヤ後流側に大きな死水領域ができ、渦が発生することが確認された。また、下記の数値計算の検証を行なうため、バンドル入口部における流速計測を行い、ほぼ一様な流速分布が生じていることを確認した。
　ラッピングワイヤ型燃料バンドルを解析するために、ピンバンドルのメッシュ分割とワイヤに沿ったメッシュ分割を整合させたメッシュジェネレータの開発を継続し、終了した。また、2次元少数ピンモデル体系の計算メッシュを作成し、2次元定常非発熱試験の流動解析を継続し、終了した。H18年度作成のピンバンドルのメッシュジェネレータを高度化（3次元化、内部ダクトを伴うTRU燃焼集合体体系への適用化）して開発を終了し、FEMコードでの試験解析に着手した。2次元少数ピンモデルの数値解析を実施し、助走区間、メッシュ分割等の解析結果への影響を評価して実験計画へフィードバックした。
　また、汎用伝熱流動解析ツールである「FLUENT」を用いて乱流モデルによる流れ場への影響について感度解析を実施し、2次元非発熱試験PIV計測結果との比較を行った結果、RNG k-εモデル、RSMモデルが計測した平均速度場データとの一致度が良好であることがわかり、高度モデルであるRSMの燃料バンドル解析への適用は膨大な計算時間を要することから、実用性の観点で燃料バンドルの解析にはRNG k-εモデルが適すると判断した。今後発熱定常試験、過渡試験並びにその解析を行う。

【全体】

【研究開発項目１】TRU燃料集合体組立時の燃料　　バンドル冷却評価ツールの整備

【研究開発項目２】TRU燃料集合体組立時の冷却システム概念の構築

【研究開発項目３】PIVデータ活用によるミクロ評価ツールの検討