原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

ミリチャンネル二相熱流動場の高信頼性予測実現のための研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　沸騰水型軽水炉における転換比の増大や蒸気発生器のコンパクト化を達成する上での有効な一方策として、沸騰流路の小口径化が考えられる。しかし、特に等価直径が1cm未満のミリチャンネルでは、流路断面内に形成される速度および温度の空間勾配が急峻となるため、環状流中の液滴やサブクール沸騰域の蒸気泡が複雑な挙動を呈する可能性がある。このため、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」および「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」を目的とする研究開発を実施した。

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
　環状流と呼ばれる気液二相流の流動様式では、気相は流路中央部を高速で流れ、液相は管壁に沿う液膜と気流中を運動する液滴に分離して流動する。沸騰系環状流における液膜流量の軸方向変化は、液膜の蒸発、液膜への液滴付着、液膜からの液滴発生によって決定される。液膜が消失すると加熱壁温度が急上昇するため、CHFの高信頼性予測では、前記3つの質量交換プロセスに関する深い理解が必要である。本研究では、水・空気試験、水・蒸気試験、粒子追跡型の数値解析を通して、ミリチャンネル内環状流中の液滴付着機構について検討した。この結果、揚力の影響により液滴付着率は上昇流体系と下降流体系でやや異なる値となること、液滴濃度が高い場合には気流中の乱れが抑制されて液滴付着が生じにくくなること、流路内に障害物がある場合には液滴付着率が顕著に増大することを示した。以上の知見を基に液滴付着率相関式の選定と改良を行い、CHF解析結果を別途実施した限界熱流束試験の結果との比較を通してその妥当性を調べた。比較結果の一例を図1に示す。障害物が加熱部の出口近くにある場合には、障害物によるCHF上昇をよく予測できており、本研究で開発した相関式の妥当性が確認できる(図1a)。ただし、障害物を流路上流側に移動するとCHFが過大評価される傾向が認められる(図1b)。これより、障害物流路における液滴発生機構を明らかにすることが今後重要と考えられる。

図1 障害物流路におけるCHF解析結果と実験データの比較

(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
　サブクール沸騰域では、加熱壁における蒸気泡の生成とバルク液中における気泡の凝縮が共存するため、ボイド率を予測する上で気泡挙動に関する正確な知見が必要不可欠となる。本研究では、可視化試験と気泡直接計算を通して気泡の生成・凝縮のメカニズムについて考察した。この結果、濡れのよい伝熱面では既存のサブクール沸騰モデル[1]で想定されているように気泡が伝熱面に付着することは少ないこと、表面張力に起因する気泡の形状変化により気泡の伝熱面からの離脱が促進されること、凝縮熱伝達率については既存の相関式が適用可能であることを示した。また、これらの知見を用いてサブクール沸騰域における気泡挙動を記述するモデルを開発するとともに、強制対流サブクール沸騰中におけるボイド率分布の計測結果と比較し、その妥当性を検討した。比較結果の一例を図2に示す。低ボイド率条件では実験結果と計算結果の一致は良好であり、本研究で開発した気泡挙動モデルの妥当性が確認できる。ただし、局所ボイド率が5%を超える高ボイド率条件では、伝熱面近傍に形成される気泡層の厚さを過大評価する傾向がある。これは、気泡の合体などの相互作用により気泡の凝縮が促進されたことが一因と考えられる。

図2 サブクール沸騰域におけるボイド率分布の解析結果と実験結果の比較

３．今後の展望

　液膜ドライアウトに起因する限界熱流束状態への移行およびサブクール沸騰域におけるボイド率分布について、機構論的評価手法を構築した。さらなる高精度化を図る上での重要課題として、流路内障害物が液膜からの液滴発生に及ぼす影響および気泡の生成・凝縮過程に及ぼす気泡間相互作用の影響を明らかにすることがあげられる。

４．参考文献

[1] S. Levy, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 10, pp. 951.965 (1967).