過渡時の自然循環による除熱特性解析手法の開発

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原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

過渡時の自然循環による除熱特性解析手法の開発

（受託者）三菱FBRシステムズ株式会社
（研究代表者）渡辺　収　炉心・安全設計部熱流動グループ　
（再委託先）財団法人電力中央研究所、独立行政法人日本原子力研究開発機構
（研究開発期間）平成１８年度～２１年度

１．研究開発の背景とねらい

　「もんじゅ」等、これまでのナトリウム冷却炉では、原子炉停止時の炉心崩壊熱除去は強制循環によって行われ、自然循環は強制循環不作動時のバックアップという位置づけであった。「常陽」による自然循環試験やトップエントリ型FBR実証炉向けに行われた各種試験研究の結果、自然循環のみによって崩壊熱除去が可能であること、これにより動力によらない信頼性の高いシステム構成が可能であることが明らかになってきた。これらを踏まえて、高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究フェーズⅡでは、強制循環に頼らない「完全自然循環式崩壊熱除去系」を採用し、高い信頼性と経済性を兼ね備えたナトリウム冷却大型炉（大型炉）の実現を目指している。
　本事業では、大型炉の１次系の挙動を再現可能なシステム水試験と炉心から空気冷却器に至る一連の熱輸送系を模擬したナトリウム試験を実施し、熱流動上の課題を摘出し解決を図るとともに、これらに基づいて大型炉の自然循環除熱挙動を予測評価できる解析評価技術を開発する。

２．研究開発成果

２．１　研究開発の概要

　システム水試験及びナトリウム試験により自然循環崩壊熱除去に関する熱流動特性を明らかにする。また、従来の1次元評価手法の改良に加え、原子炉容器(RV)及び１次系各部で発生する温度成層化や偏流現象を評価できる3次元の評価手法を開発するとともに、安全審査で重要となる炉心高温点（ホットスポット）について、自然循環に適合した評価手法を開発する。
　大型炉に対する解析評価の構想を図１、研究開発項目を以下に示す。

試験条件及び評価手法の設定・・・各研究課題の具体化
システム水試験・・・熱流動上の課題の摘出と解決
ナトリウム試験・・・自然循環時伝熱流動特性の確認
解析評価技術の開発・・・自然循環及び炉心高温点評価手法の開発

２．２　研究開発成果

　平成18年度から平成21年度までの４か年にかけて実施した成果のうち、システム水試験及びナトリウム試験並びに解析評価技術の開発について以下に示す。

２．２．１　システム水試験

　大型炉の１次系2ループを模擬したシステム水試験装置（1/10縮尺モデル）を製作し、電力中央研究所我孫子地区に設置した。図２にシステム水試験装置の全体概要を示す。これを用いて、32のプラント過渡事象から5事象（外部電源喪失、2次ナトリウム漏えい、崩壊熱除去系（直接補助炉心冷却系（DRACS）及び１次系補助炉心冷却系（PRACS））の2次ナトリウム漏えい、1次ポンプ1台軸固着）の定常から過渡に至る模擬試験を実施した。模擬試験で得られた温度・流量等を評価した結果、各事象ともに事象発生後に安定した自然循環状態に移行することを確認した。図３に外部電源喪失模擬試験結果を示す。また、１次系コールドレグ配管流量のループ間相互振動と逆流に伴って生じる急峻な温度変化、炉容器下部プレナム内の成層界面の揺動に伴った温度振動及びDRACSの運用方法等、今後解決すべき熱流動上の課題を摘出した。これらの課題に対して、構造材の温度変化を和らげるための方策に関する試験等を実施し、崩壊熱除去系の運用方法や機器設計に対する改善策の提案として、コールドレグの並列配管の単管化など具体的に示した。さらに、代表的な過渡事象についてのシステム水試験結果に自然循環現象の熱流動相似則を適用することによって、大型炉での流量や温度などの過渡変化挙動を定量的に評価し、自然循環崩壊熱除去の成立性を示した。

２．２．２　ナトリウム試験

　試験部となるPRACS試験機器（Ⅰ）を製作し、既設のナトリウム試験ループに設置するとともに、既設ループとの接続部となるPRACS試験機器(Ⅱ)を製作することでナトリウム試験装置として完成させた。本試験装置を用いてPRACSの除熱性能を確認するとともに、模擬炉心集合体を含む１次系、PRACS２次系及び空気系を含む一連の熱輸送系が自然循環に移行する過渡試験を行った。その結果、PRACS熱交換器(PHX)を含む中間熱交換器(IHX)内部の熱流動特性を明らかにした。PHXの管外熱伝達率は、実機設計で採用している相関式とよく一致することが明らかとなった。PRACSを始めとする各系統の流量が浮力によって確保され、模擬炉心が自然循環によって冷却できることが明らかとなった。図４に全系統自然循環試験での炉心各部の温度変化を示す。また、IHX２次系の自然循環流量が過渡初期の１次系の自然循環に有意な影響を与えること、１次系、崩壊熱除去系の流動抵抗係数が自然循環に与える影響は小さく、１次系の抵抗係数が40%増大しても炉心最高温度は30℃の上昇にとどまること、ナトリウムの温度低下に伴う物性値の変化が自然循環に与える影響は極僅かであることを明らかにした。熱流動上の課題として、空気冷却器の自然通風流量とナトリウム側自然循環流量では空気側の立ち上がりの方が早いため、ナトリウム側の熱過渡が厳しくなることを摘出し、その対応策を提案した。

２．２．３　解析評価技術の開発

ａ．1次元自然循環評価手法
　RV上部・下部プレナム部、IHXの上部・下部プレナム部及び配管部について、システム水試験結果に基づき、1次元モデルの適用性を検討した。RV下部プレナム部及びIHX下部プレナム部については、システム水試験結果から温度成層化の境界高さを分析して1次元モデルを改良した。RVを含む１次系一巡の圧力損失、熱交換器（IHX、PHX及びDRACS熱交換器(DHX)）の伝熱性能、自然循環移行方法について検討し、システム水試験装置を対象とした1次元モデルを作成した。作成した1次元モデルを用いて、代表5事象（外部電源喪失、2次ナトリウム漏えい、崩壊熱除去系（DRACS及びPRACS）の2次ナトリウム漏えい、1次ポンプ1台軸固着）のシステム水試験結果を対象とした解析を行った。図５に外部電源喪失事象でのシステム水試験検証解析結果を示す。各事象とも１次系の流量や温度応答は試験結果と良く一致し、1次元自然循環評価手法の妥当性を確認した。
ｂ．3次元自然循環評価手法
　RV、ポンプ組込型IHX、ホットレグ配管、コールドレグ配管の3次元部分モデルを作成・結合して、大型炉を対象とした2ループ体系のプラント全体モデルを作成した。大型炉の代表的な自然循環事象として外部電源喪失事象を対象とした予測解析を行い、3次元自然循環評価手法の適用性を確認した。図６に解析モデルを示す。システム水試験装置の１次系内機器を対象とした3次元部分モデルを作成・結合し、2ループ体系の試験装置全体モデルを作成した。作成した全体モデルを用いて、外部電源喪失及び2次ナトリウム漏えい事象のシステム水試験結果を対象とした解析を行った。各事象とも１次系の流量や温度応答は変動特性を含め試験結果と良く一致し、3次元自然循環評価手法の妥当性が確認された。図７に外部電源喪失事象の１次系流量比較を示す。ナトリウム試験装置を対象とした崩壊熱除去系まで含む3次元全体モデルを作成した。全系統が自然循環となる過渡試験結果を対象とした解析を行い、3次元自然循環評価手法の妥当性を確認した。
ｃ．炉心高温点評価手法
　炉心高温点の評価手順を設定し、外部電源喪失事象と2次ナトリウム漏洩事象について大型炉を対象としたプラント動特性解析及び集合体内熱流動解析を行い、過渡時のホッテスト集合体内最高温度に与える集合体形状や出力分布などの影響を定量的に評価した。検討した影響因子を考慮して、プラント動特性解析コードと集合体内熱流動解析コードを組み合わせ、大型炉を対象とした炉心高温点評価を行った。これらの結果に基づいて自然循環を対象とした炉心高温点評価手法を構築した。全炉心熱流動解析コードを用いて、外部電源喪失事象と2次ナトリウム漏洩事象について大型炉を対象とした全炉心詳細熱流動解析を行い、構築した炉心高温点評価手法の妥当性を評価した。図８に外部電源喪失事象での炉心高温点評価手法による冷却材最高温度比較を示す。従来の評価手法は自然循環時に効果が顕著となる集合体間熱移行及び浮力による集合体間/内の流量再配分効果を未考慮であり、これらの効果を取り込んだ結果、炉心高温点評価手法は従来の評価方法に比べて冷却材最高温度を50℃程度、合理的に評価できるようになった。また、1次元自然循環評価手法に適用可能な手法として、過渡後の2次ピークを対象とした炉心高温点の簡易評価式、及び温度履歴全体を対象とした動特性解析モデルによる簡易評価手法を構築した。簡易評価手法による結果が浮力を考慮した3次元解析結果とよく一致していることを確認した。

２．３　まとめ

　システム水試験及びナトリウム試験を実施することによって、大型炉の自然循環崩壊熱除去について基本的な成立性を実験的に（相似則に基づいて）示すとともに、熱流動上の課題を摘出し、より合理的なシステムとするための具体的な対応策を提案した。大型炉の自然循環除熱挙動を予測評価するための解析評価手法として、1次元に加えて新たに3次元自然循環評価手法を開発し、システム水試験及びナトリウム試験結果を対象とした試験解析を行い、評価手法の妥当性を確認するとともに諸現象の発生原因を明らかにした。さらに、安全審査において特に重要となる自然循環時の炉心高温点評価手法を新たに開発し、評価手法の合理性を示した。これらの成果は、現在進められているFaCT研究に取り入れられ、完全自然循環式崩壊熱除去系は実用炉及び実証施設設計に採用される方向で纏められつつある。

３．今後の展望

　自然循環を用いた炉心冷却に関する信頼性が高まることによって、自然循環式崩壊熱除去系の採用が一般化していくことが予想される。また、炉心高温点評価手法及び3次元自然循環評価手法の開発によって、FBRの安全評価技術とプラント動特性、熱過渡（構造健全性）評価技術が向上し、より高いレベルでの安全評価と設計作業の効率化が図れるものと考えられる。
　本研究で取得されたシステム水試験データ及びナトリウム試験データは各種解析手法の検証に供されるとともに、将来の安全審査にも活用されると考えられる。また、今後の計算資源の拡大に伴い、より高精度の評価が可能となることが期待できると考える。