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

液体金属熱流動評価のための高速度3次元直接計測技術開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業では液体金属冷却型高速増殖炉の炉心熱流動評価手法の信頼性向上と上部構造物における高サイクル疲労評価のための水流動高時間分解3次元計測技術を開発するとともに、これを応用した液体金属流動高時間分解3次元計測技術を開発し、水および液体金属の多次元温度-速度相関熱流動データベースの構築を目指す事を目的とする。
　液体金属冷却型高速増殖炉の炉心熱流動評価の高信頼性化は、次世代炉開発に重要な視点である。さらに、炉心上部構造物には、炉心からの高温と低温のナトリウムが混合せずに衝突することによって生ずる温度変動が高繰り返し応力として与えられ、材料の劣化を促進することが懸念されており（サーマルストライピング現象）、流速等が厳しい条件となる次世代炉では、より高周波数で詳細な評価が必要となっている。従来の研究では、実験による検証を経てシミュレーションを中心とした評価が行われてきた。しかし、この実験データは液体金属が不可視流体であることから、プロセスデータや熱電対などの局所温度変動などのバルク情報であった。サーマルストライピングや炉心流動は、温度と流動が畳重する場であり、過渡変動を含む詳細な3次元温度分布や流速分布情報が重要であるが、計測技術の限界から、これらは取得できていなかった。もし、これらの詳細な計測評価データを取得することが出来れば、サーマルストライピング現象の詳細な把握とともに、炉心熱流動評価の信頼性を飛躍的に高めることが可能となる。本事業においては、水流動と液体金属流動を対象とした計測技術を連携して開発し、上記の目的を達成する。

２．研究開発成果

２．１水流動高速度3次元直接計測技術開発

　液体金属冷却型高速増殖炉の炉心熱流動評価手法の信頼性向上と上部構造物における高サイクル疲労評価のための水流動高時間分解3次元計測技術を開発する。本研究開発事業では、一度の励起で長時間発光する燐光を、高時間分解能で測定することにより、温度の関数である燐光寿命(減衰率)を測定し、温度を評価する。さらに燐光寿命に基づく温度計測とPIVの計測を組み合わせ、温度速度相関計測システムを開発する。定量速度場計測手法のPIV(Particle Image Velocimetry)では流れの中に、流れに追随するトレーサー粒子を混入させ、この移動量を分析することによって速度を算出する。そこで本研究開発事業では、この粒子に燐光染料を吸着させ、TSParticle (Temperature Sensitive Particle)を開発し、これを用いて温度速度相関計測システムを開発した。
　実験体系は、７本ピンバンドルを模擬した試験装置である。メインセクション観察部は直径3mm のワイヤスペーサーを巻いた長さ100mm のメックスフロン製ロッド７本からなるバンドルである 。入口での水温を24℃/52℃(リチャードソン数0.13)と、大きな温度差を付与して実験を行った結果を図１に示す。温度分布と速度分布を同時に計測することのできる新しい技術を構築し、液体金属流動データベースとの比較を行うための、流動データベース構築を目指した検討に向けて、データの取得を実施した。
　燐光寿命温度計測法は、水流動データベース構築だけではなく、例えば、エンジン内部の温度計測やマランゴニ対流の計測などへ大きく展開している。

２．２ 液体金属流動高速度3次元直接計測技術開発

　本事業では、ダイナミック中性子トモグラフィ（DNCT; Dynamic Neutron Computer Tomography）と命名した新計測技術を用いて液体金属流動の速度・温度同時高速度3次元計測データを取得することを目指すことを目的とする。DNCT技術は高速度撮像中性子ラジオグラフィ、CT(Computer Tomography)、PIV技術の融合技術であり、中性子ビームを6本生成して3次元流速分布計測を目指す新しい計測技術である。

２．２．１　DNCTシステム開発

　DNCTシステム開発の最重要課題は6本の中性子ビームの生成法である。6本のビームを生成するため、中性子モンテカルロ解析で中性子の散乱現象とエネルギー変化を最適化して中性子制御系を設計した。図2に製作したDNCTシステムの概略図を示す。なお、6投影像を記録するためコンバータと高速度ビデオカメラは3セット利用した。コンバータは、本事業で高輝度化を検討してJRR-3を用いて改良したものであり、世界最高輝度を示した。

２．２．２　DNCT解析システム開発

　DNCTデータの処理および可視化を行う解析システムを開発した。

1. 中性子解析(MCNP5)結果の可視化・分析ソフト・・・中性子およびガンマ線の3次元解析結果を容易に表示できる可視化ソフトを開発し、本ソフトを用いてDNCTシステムを設計した。
2. データ解析手法・・・データ処理アルゴリズム全体を設計するとともに、ML-EM法(Maximum likelihood - expectation maximization)を高速化するCTアルゴリズムを開発し53倍の高速化を達成した。DNCT用にバネモデル粒子追跡法による3次元速度計測アルゴリズムを開発した。
3. データ処理ソフト(RAIDEEN)・・・3台の高速度ビデオカメラが出力するデータから粒子の軌跡までを一括して処理可能な専用ソフトを開発した。これはGPU(Graphical Processing Unit)多並列演算機能に対応をさせ、大規模4次元データを実用的な処理時間で処理できる性能を有する。
4. データ可視化ソフト(TRITON)・・・3次元スカラーおよびベクトルデータの時間変化情報を合成して可視化可能な市販の可視化ソフトが存在しないため、新たに可視化ソフトを開発した。
5. 高速演算計算機の開発・・・CT演算量が膨大となるため初めに大型計算機上で128並列演算を試み5倍の高速化を実現した。さらに、実用性向上のためGPU技術を組み込んだ計算機を製作し、ソフトのGPU化と併せて6GPUにより演算を1750倍高速化できた。このデスクトップサイズの計算機は、大型計算機(128CPU)と比較して1.9倍のCT演算性能を示した。

２．２．３　DNCT技術実証

　DNCTに最適な試験条件を検討し、総合性能を評価するため研究用原子炉(JRR-4)から入射する中性子のエネルギー分布を重水タンクで変更した炉内試験や改良コンバータ試験などDNCT技術実証試験をJRR-4で実施した。その結果、重水で入射中性子のエネルギーを減速させることで中性子ラジオグラフィ像のコントラストが改善され250フレーム/秒でも125フレーム/秒と同程度のデータ品質を得られることが分かった。DNCTによる速度計測を実証するため、液体金属をアルミニウム合金で模擬した回転体試験体を用いて最高表面速度が24cm/sの速度で回転するトレーサ（カドミウム棒・球）をDNCTシステムを用いて可視化し、その速度を計測した。図3は、DNCTシステムから出力される3セットのデータをDNCT解析システムによりCT値の3次元の時間変化に変換し、データ可視化ソフトで動的に可視化した結果である。動画による観察から、中央上部に2列に並んで埋め込まれているカドミウム棒が回転していることが明瞭に識別できた。図3は、中性子ラジオグラフィ技術では世界初となる3次元CT値の時間変化を得られた結果であり、金属中の異種金属の3次元の移動を可視化した例としても初めてとなる結果である。
　図4にトレーサの3次元速度分布をバネモデル粒子追跡法により計測し、中性子と直交する視点から3次元の時間変化として、その軌跡（流線）を可視化した結果を示す。これらの結果から、DNCT技術により、金属中のトレーサの速度と軌跡が計測できることが実証できた。温度計測に関しては、液体金属入試験体の炉内試験とJRR-3での炉内要素技術開発試験により計測誤差が大きくなる等の課題が残った。なお温度計測は、液体金属の温度が密度に対して負の勾配を持つ１次関数で近似でき、この密度がCT値と比例関係にあることと併せて2点補正により、CT値から液体金属の温度を算出できるという原理に基づく。残念ながらCT値が高い固体周辺領域でCT値に大きな誤差が生じたため温度変換して±50℃程度の誤差が生じる結果となったが、CT時の補正法を開発することで精度向上が見込まれ今後の課題といえる。

２．２．４　液体金属流動装置設計・製作

　液体Naの模擬流体として低融点合金(Sn-Pb-Bi共晶合金：融点95℃)を選択し、これをJRR-4中性子照射室内で循環させる液体金属流動装置を設計・製作した。試験体はFBRの炉心を模擬した7本ピンバンドルとして、その内3本を加熱できる構造とした。製作後、炉外試験により安全性を十分に検証して、JRR-4中性子照射室内に一時設置が可能であることを確認した。

２．２．５液体金属流動データベース構築準備

　本項目では、JRR-4の中性子照射室で液体金属流動炉内試験を計画した。しかし、JRR-4の炉心不具合により平成19年12月から平成22年2月まで原子炉が停止したため実施が事業最終月に1回のみとなってしまった。
　図5に、DNCTシステムと液体金属流動装置とを組み合わせてJRR-4の中性子照射室内に一時的に設置して、炉内試験を実施した際の装置設置写真を示す。中央に液体金属流動装置があり、右側に黒色のDNCTシステムがある。試験体は、DNCTシステムの先端に固定してある。2次冷却系や計測制御システムは、中性子照射室外に設置した。図6に、DNCT解析システムを用いて発熱7本バンドル試験体内CT値分布を計測した結果を示す。図6から、CT値が低い値のみでありトレーサ粒子が流れていないことが判明した。事後調査の結果、トレーサ粒子が注入装置内に留まり、想定されたように試験体に流れ出なかったためであることが分かった。事業終了により、液体金属流の速度等のデータは事業期間内では取得できなかった。本事業終了後、原子力機構が本研究課題を継承してデータベースの構築を目指す。

２．２．６まとめと波及的効果

　金属動体の3次元の速度分布を計測できる技術としてDNCTシステムおよび解析システムを開発し、世界で初めて技術実証に成功し、中性子による立体的な動体計測技術として体系化した。現在、金属動体の立体的な動体計測が実現できた技術は本事業で開発したDNCT技術のみである。
　中性子イメージングの重要要素技術に関する数多くのブレークスルー（高輝度コンバータ開発、高速CT演算技術、3次元速度計測技術等）を実現でき、J-PARCの物質情報3次元可視化装置の基盤技術として大きな波及効果が創出される見通しとなった。

３．今後の展望

　高速増殖炉などの液体金属流を直接計測するための手法として、世界初のDNCT技術を開発し、JRR-4の中性子ビームを利用して、その実証を行うことができた。また、液体金属流動検証用としての水流動を直接計測するための手法として、世界初のTSParticleを開発実証し、温度分布と速度分布を同時計測する手法を実用化した。いずれの手法も、学会発表などを通じて、世界的に高く認められており、実機設計に向けて、さらなる展開と発展が期待される。