原子力システム　研究開発事業　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。水などの透明流体の速度・温度計測では、従来、二次元PIV(Particle Image Velocimetry)法や蛍光染料を用いたLIF(Laser Induced Fruorescent)法が開発されてきた。しかし、 LIF法による温度計測は、測定系の不安定や、クエンチング現象などにより、高精度に測定することが容易ではない。
　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する。

2.1.1 3次元温度速度相関計測システム開発
　昨年度開発した、TSParticleを用いた温度測定手法を拡張し、温度・速度同時計測手法を新規に開発した．TSParticleにパルス紫外線レーザを照射した後の燐光の強度変化は、必ずしも時間に対して一次関数的に減衰するわけでも指数関数的に減衰するものでもない．本研究では高感度高解像度高速度カメラを用いて燐光粒子画像を撮影し，その粒子像の輝度変化からあるエリア内の粒子の燐光寿命を求め，温度を評価する．図１に高精度化を目指して改良したTSParticle燐光寿命法の概念図を示した．この方法ではレーザー照射とほぼ同時に高速度カメラを用いて、例えば40kHzのサンプリング速度で燐光が減衰するまでの間の画像を取得する．実際には紫外線レーザーの繰り返し周波数が30Hzであるため，1/30秒に一度TSParticleを励起し，1/30秒〜1/30+1/40000*N秒の間のTSParticleの様子をN枚の画像にとらえる．EuTTAの場合，長くても1msec程度で燐光が減衰し，カメラの感度範囲を下回るため，Nは10〜40枚程度である．紫外線レーザーで励起をした瞬間は散乱光などによって粒子以外のものも画像に映るため，この評価は励起の瞬間を含む画像を用いず，励起後の燐光のみが光った状態の画像を用いて行う．
　図１に示すように、時間的に輝度の変化する粒子像が得られる。これらの粒子は流れに追従して移動するため、粒子パターンの移動をPIV解析することで速度分布を得る事ができる．次に、PIVで用いる相関窓内の平均輝度の時間的変化をとらえ、減衰曲線より温度分布を得る。
　実験では本年度改良したピンバンドル装置にTSParticleを混入した水を循環させた．ピンバンドル及び流れは鉛直上向きであり，これに側面からレーザーライトシートを照射し，レーザー光導入方向と90度の角度をなす側面からカメラで粒子像をとらえた．実験条件としては、初期温度を22.5℃とし，画像右側にあるロッドの下部ヒーターを100Wで加熱し，10L/minの流量を循環させた場合の温度分布を測定した結果を図２に示す．全体としては流れによる温度の拡散が著しく，ほとんど温度上昇していない．これについてはワイヤースペーサー付きピンバンドル体系での流れの混合が大きいためであり，妥当な結果である．また，このときの流れの速度分布を図3に示した．ワイヤースペーサー付きピンバンドルの左側，つまり流路の外壁側で最も流れが速く0.11m/secほどである．また，ワイヤースペーサーの上部ではワイヤーに沿った流れとなり，ワイヤースペーサー下部はときおりワイヤーをまたぎながらもほぼ上向きに流れていることがわかる．速度分布は加熱がない場合とほぼ等しく加熱の効果がほとんどないことが流れの速度分布からも理解できた．
　本システムを３次元に拡張するため、スキャンニングミラーとシリンドリカルレンズを用いてレーザーシートスキャンニングシステムを開発した．本システムではスキャンニングミラーを用いてレーザービームを屈折させ，シリンドリカルレンズへの入射角を変化させる．レーザーシート光は各断面を交互に照射し，2台のカメラで粒子像を撮影する．更に紫外線レーザーを追加し，多断面速度同時計測システム用の2台のカメラとは実験装置を挟んで反対側に温度速度同時計測用のカメラを設置した．前述の実験と同様の実験により、多断面速度同時計測および温度・速度同時計測の同時計測を行い、多次元のデータを取得できることを確認した。

2.1.2 水流動データベース構築準備
　次年度に実施を予定する，流動データベースの構築を目指した検討に向けて，実験装置検討、パラメータ検討などの予備調査を行った．液体金属流動実験と水流動実験のレイノルズ数、リチャードソン数を同等とする条件が求められた。次年度の実験では、この条件を中心として、パラメータを変化させることにより、水流動データベースの構築を目指す。

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(特願2006-168348号)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技術は中性子ラジオグラフィ（NR）を基盤技術とした新計測技術である。NR技術を用いると液体金属は透明度の高い像として、トレーサは不透過な像として記録される。

2.2.1 DNCTシステム開発
　図4に、DNCTシステムの概略図を示す。DNCTシステムは原子炉炉心側から、①中性子制御系、②試験体位置制御系、③撮像系から構成されるシステムである。
　昨年度、DNCTシステムのハードの構築を実施した。本年度は、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することを目的とする。DNCTデータ処理システムには、昨年度の連携研究として検討したバネモデルPTV(粒子追跡法)による3次元速度計測法および温度計測法を組み込む。また、DNCT技術では同時計測した速度と温度の3次元データを動的に可視化する専用ビューアが必須であるため、本年度開発を実施した。

2.2.2 DNCT技術実証
　昨年度に開発したDNCTシステムおよび技術実証用試験体を組み合わせて研究用原子炉JRR-4の中性子照射室で炉内試験を実施し、開発したDNCT解析システムを用いて総合性能を評価した。併せて、高温の液体金属入技術実証試験体の安全確認試験、およびJRR-3での炉内要素技術確認試験を実施した。
　まず、JRR-4を用いて中性子エネルギーの最適化を実施し、4cmの厚さの重水を用いることで、高速中性子が減速されコントラストの良い画像を得ることができる事を確認した。また、液体金属流を模擬した回転体試験体の表面に埋め込んだカドミウム製のトレーサを、0.5rps〜1.5rpsの回転速度で回転させ、トレーサ粒子の追跡性能を評価した。また、画像の記録速度を125fpsと250fpsと変化させて評価を行った。図5に、本研究で取得したトレーサの移動ベクトル及び軌跡情報と、瞬時CT値を可視化した図を示す。回転するトレーサ像が再構築されており、次年度以降の液体金属流動でのデータ取得が可能であることを示している。なお、本可視化システムは、前項で開発したシステムである。これらの評価の結果、以下の知見を得た。

• 記録速度は、125fpsでも250fpsでも類似の結果を得られ速度と軌跡を計測できた。
• 記録速度は、流速が速い（トレーサ移動速度が速い）現象には、250fpsで記録したほうが、動体の動きがなめらかな可視化観察ができる。一方、流速が遅い現象では、125fpsで記録した方が、高品質のデータが計測できる。
• 回転速度が1.5rps（表面速度0.236 m/s）でトレーサの認識が可能である。このため、液体金属流動試験で使用する予定である試験体内を流れる液体金属流の最大平均流速0.2m/sを計測できる見通しを得た。
• 今後の課題として、時系列の連続２データから流れの方向を算出しているため、矢印のブレが大きくなる事があげられる。この点は、平滑化処理で滑らかに表示する等の改良の余地がある。また、トレーサの認識ができなくなるステップが存在する。これは、瞬時CT値が一瞬低く計算されることに起因する。この点に関しても、改善が必要である。

　また、研究用原子炉JRR-3を用いて、コンバータ改良試験、DNCT用バネモデルPTV法開発試験、１本発熱試験体による温度計測検証実験の炉内要素技術開発試験を実施した。その結果、コントラストが大きく改善されるとともに、速度ベクトル評価を高度化することができた。なお、トレーサに用いるカドミウムが、250℃程度で流れる液体金属中に溶解する現象が確認された。本問題は、次年度以降の液体金属流動試験においても重要な問題であるため、トレーサが溶解しない方法を検討し２種類のトレーサ製作法で溶解しないトレーサを製作できることを確認した。

2.2.3 液体金属流動装置設計・製作
　液体金属流動データベースの構築準備のため、液体金属流動装置を設計し製作した。また次年度の炉内試験に先立ち炉外試験を実施し、装置の安全を確認するとともに装置特性を評価し、炉内試験に支障がないことを確認した。

2.3 まとめ
　水流動計測技術開発に必要とされる、昨年度開発した燐光寿命に基づく温度分布計測システムを発展させ、温度・速度同時計測手法を開発した。実験により温度・速度の同時計測が可能であることを確認するとともに、スキャニングレーザーシートを用いた多次元化を実施した。また、次年度の流動データベースの構築を目指した検討に向けて，実験装置検討、パラメータ検討などの予備調査を行った
　DNCTシステム開発においては、データの処理を行う解析システムと可視化を行うシステムを開発した。また、DNCTによる3次元温度速度相関計測に関わる研究を進めた。開発したDNCTシステムおよび試験体を組み合わせて研究用原子炉JRR-4の中性子照射室で炉内試験を実施し、DNCT解析システムを用いて総合性能を評価した。また、次年度に実施する液体金属流動データベースの構築準備のため、液体金属流動装置を設計し製作するとともに炉外試験を行い、安全確認と装置特性の評価を実施した。

３．今後の展望

　スケジュールにしたがって開発を進める予定である。具体的には、水流動システム開発においては、開発した温度速度相関計測システムをもちいて、流動データベースの構築を目指した検討を進める。
　液体金属流動システム開発においては、DNCTデータの処理および可視化を行う解析システムの高速度化を推進するとともに、研究用原子炉JRR-4の中性子照射室で液体金属流動装置を用いた炉内試験を実施し、流動データベースの構築を目指した検討を進める。
　水流動システム開発と液体金属流動システム開発の成果をまとめ、総合評価を行う。