１．研究開発の背景とねらい

　高速炉開発は、資源小国である我が国がエネルギーの長期的安定供給を実現する上で、きわめて重要な技術開発課題である。加えて、エネルギー安定供給の選択肢を広げる観点から、高い安全性と経済性を有する多様な革新的高速炉の研究開発が強く求められている⁽¹⁾。これを受けて、液体金属により炉心冷却を行う高速炉(LMFR)や冷却材に水を使用しつつ１を超える高転換比を狙う沸騰水型高速炉(BWFR)等の高速炉の開発研究が国内の研究・開発機関で精力的に進められている^(2)-(4)。BWFRは、冷却材に水を使用することから、特にウラン資源の有効利用を早期に実現する上で期待が大きい。しかし、１を超える高転換比を達成するためには、冷却材体積を減らし、中性子の減速を極力抑えた設計とする必要がある。この結果、炉心内冷却材流路を、水力等価直径3-5mm程度のミリチャンネルとすることが必要不可欠となる。また、LMFRでは、高い安全性の確保を目的として、中間熱交換器(IHX)及び蒸気発生器(SG)を備える場合が多い。このため、SG伝熱管を小口径化できれば、システムのコンパクト化を通した経済性向上を図ることができる。
　以上の考察によれば、ミリチャンネルの採用は、革新的高速炉の多様性拡大及び経済性向上に大きく貢献する可能性が高い。しかし、ミリチャンネル内強非平衡二相熱流動場では、流路断面内に形成される速度及び温度の急峻な空間勾配に起因して、サブクール沸騰域の蒸気泡や環状流中の液滴が熱流力的に複雑な挙動を呈する。このため、原子炉機器設計で重要となる限界熱流束(CHF)やボイド率の評価において、液滴運動や気泡の相変化速度等の微視的素過程の理解が不可欠となる。そこで、機構論的手法に基づく強非平衡二相熱流動場の高信頼性予測実現に向けて、現象を支配する素過程の理解と実験的検証に裏打ちされた機構論的相関式を整備するため、「高温・高圧小口径障害物流路における環状流中液滴挙動の解明と機構論的CHF予測手法の構築」及び「小口径加熱流路内強制対流サブクール沸騰中における蒸気泡の生成・消滅機構の解明と機構論的多次元ボイド率分布予測手法の確立」を目的として、本研究開発を実施することとした。

２．研究開発成果

(1)機構論的限界熱流束(CHF)予測手法の開発
　管内強制対流沸騰では、蒸気相の質量流量が全流量の10%程度以上となると、環状流と呼ばれる流動形態に移行し、液相は加熱壁に沿う液膜と高速蒸気流中の液滴に分離して流動する。環状流中の液膜は、液膜の蒸発、液膜からの液滴発生、液膜への液滴付着の影響を受けて軸方向に変化していき、液膜が消失(ドライアウト)するとCHF状態に移行する。液膜蒸発量は加熱量から一意に決定でき、またドライアウト点近傍では液滴発生を無視できるので、CHFを決定する上で最も重要な因子は液滴付着率であると言える。このため、主に経験則に基づき、環状流中の液滴付着率について数多くの相関式が提案されている⁽⁵⁾。しかし、気流・液滴間相互作用力、流体物性、気流中液滴濃度、流路内障害物等の因子が環状流中の液滴付着率に影響を及ぼす詳細なメカニズムに関する知見はきわめて不足している。そこで、二段階液膜抽出法および二段階液膜ドライアウト法に基づく実験計測および液滴挙動詳細解析を通して、前記の因子が環状流中の液滴付着率に及ぼす影響について検討を実施した。この結果、流路内障害物は環状流中の液滴付着を大きく促進する効果を有すること(図1)、液滴は気流中の乱流状態を変化させ、この結果気流中液滴濃度の増加とともに液滴輸送係数は減少する傾向があること等を明らかにした。さらに、障害物流路において限界熱流束の計測を実施するとともに、機構論的な立場から合理的と考えられる限界熱流束評価手法に関して考察した。 (2)強制対流サブクール沸騰中多次元ボイド率分布予測モデルの開発
　強制対流サブクール沸騰中のボイド率予測では、加熱壁面上の沸騰核で生成された蒸気泡が飽和温度に満たない低温のサブクール水中で凝縮・消滅するまでの過程を正確にモデル化する必要がある。そこで、気泡挙動の実験計測および詳細数値解析を通して、気泡挙動の適切なモデル化について検討した。この結果、接触角が小さく比較的濡れ性の良い伝熱面の場合、壁面からの気泡の離脱は、主に表面張力に起因する気泡の形状変化により引き起こされると考えられることを示した。また、強制対流サブクール沸騰中のボイド率分布を計測するとともに、前記の実験および詳細数値解析の結果に基づくボイド率評価を実施した。

３．今後の展望

　個別効果試験および詳細数値解析の結果より構築した環状流中液滴挙動および強制対流サブクール沸騰中気泡挙動に関する機構論的モデルに基づいて、液膜ドライアウト熱流束および強制対流サブクール沸騰中ボイド率分布を解析し、実験データとの比較・検討を通して、解析結果の信頼性評価を実施する。

４．参考文献