原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
ナトリウム流動の可視化による高速炉気液界面・速度場の計測制御に関する研究開発
(研究代表者)福田武司 大学院工学研究科 教授
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構
１．研究開発の背景とねらい
本事業では、真空紫外域（VUV）高出力波長変換レーザーを用いた追跡元素の誘起蛍光による粒子画像診断技術をナトリウム流動場の構造解析に適用し、高速炉の熱流動制御を実現する革新技術の基盤を形成する。幅広くアルカリ金属元素の基礎光学物性を検証するとともに大規模渦模擬計算（LES）を用いた渦の生成消滅過程を含む動力学研究基盤を高速炉における気液界面現象の理論的解明と速度場計測に応用し、経済性の高い液体ナトリウム高速炉開発に寄与するガス巻き込み現象の評価指針を確立するとともに電磁場による能動的乱流制御を世界に先駆けて実証する。
２．研究開発成果
図1. CaF2材を用いて観測した試験装置に充填中の高温（200℃）液体ナトリウム
図2．液体ナトリウム流動場観測装置の外観
(1)ナトリウム流動場計測制御技術の開発
最外殻電子数が1個の第一族アルカリ金属元素は、プラズマ端以下の短波長領域で反射係数が顕著に低減し、高強度レーザー光電場との相互作用が活発になる。本事業では、SRS（誘導ラマン散乱）に基づく非線形波長変換技術[1-2]を駆使した高出力（6.3W）VUVレーザー（Lambda Physik社製157nm LPF-220 型F2レーザー）を用いて、比較的高い変換強度が得られた139nmと146nmならびに173nm近辺の波長でナトリウムの分光特性[3]を調べ、VUV域における透過光成分を確認した（157nm近辺で>25％）。しかしながら、迷光成分やナトリウム表面で生成する酸化物（Na2O）の寄与が観測されており、定量評価の精度向上が必要である[4]。また、負の酸化還元電位が顕著に高いナトリウムの光学測定に関しても、MgF2またはCaF2基板とインコネル製シール材を組合せた観測窓の成立性を検証した。図1にCaF2基板を通して観測した液体ナトリウムの写真を示す。粒子画像診断法[5]に基づく流動場計測に際しては、VUV光に対する吸収断面積が大きいSiを追跡元素として液体ナトリウム中に混入し（波長157nmの光子エネルギーは7.9eVであり、基底準位のシリコンに対する吸収励起エネルギーに相当）、分光器を用いて誘導蛍光成分を検出した。試験装置の外観を図2に示す。高純度アルゴンガスを用いて溶解したナトリウムを試験部（<300℃）に注入し、20L/minの駆動能力を持つ電磁ポンプで循環駆動（1.5m/s）する液体ナトリウムに50mmのSi粒子を攪拌混合する構造である。大気中における157nm光の減衰率が大きい（15Paで3dB/m）ことから光路全体を真空排気するとともに、数値計算の結果を援用（Re<22,000）して試験部の設計製作を実施した。速度場の解析に関しては、ICCD（画像変換撮像素子）による2次元計測が必要になるが、光電子増倍管と比較して分光感度が低いことから3準位系計測による評価を進めた。
また、電磁場による流動制御性能[6]を調べるため、LESによる乱流数値解析の結果に基づいて2分割式の電磁場印加装置（1kV/<0.8T）を製作して（Ha<1）循環流路内に組み込み、試験を実施する予定である。
一方、電磁流体の乱流数値解析に関しては、LES計算に適した電磁場解析手法として、磁束密度と電場密度をスタガードに配した数値計算手法[7]の構築を行った。これによりソレノイダル条件を満たすための反復計算が不要となっている。本手法を用い、速度場計測試験の数値解析の実施による比較・検討用のデータの取得を実施するとともに、効率的な乱流制御手法の数値検討として、サーマルストライピング現象を対象とした予備検討ならびに平行平板間乱流における磁場印加の影響評価を実施した。図3にサーマルストライピング現象の数値検討体系を示す。枝管から高温の流体が主管に流れ込む体系であり、主解析体系での入口乱流強度を再現するためにドライバー領域を追加している。図4は磁場印加無しの条件における壁面での無次元温度変動強度(主管/枝管の温度差で無次元化)であり、高サイクル熱疲労が発生しうる箇所が同定できる。図3に示した解析体系での磁場付加方法を数値的に検討するために、内部一様発熱および壁面温度一定条件での平行平板間乱流に磁場を付加した解析も併せて実施した。図5は、Ha=5における部分付加(1/3領域)と全領域付加との比較を示す(無次元平均温度分布および温度変動強度)。ローレンツ力は磁場が急激に変化するところで強くなるため、図に示すように両者は若干異なる傾向となっており、磁場印加領域を分割した方が有効であることが分かった。
図3 効率的な乱流制御手法の数値検討体系
図4 予備解析結果(壁面での無次元温度変動強度)
図5 平行平板間乱流解析(磁場印加影響評価)
図6．水試験装置の概要
図7．ガス巻き込みの様子およびガスコア周りの流速場
図8．Na試験装置の概要
図9．ガス巻き込み発生条件マップと液面可視化結果
図10．吸込配管上部の流速分布比較（Case-1条件における液面下600mmでの速度分布）
(2)ガス巻込み評価手法のナトリウムに対する検証
再委託先である原子力機構では、ナトリウム冷却高速炉を実用化するにあたり、コンパクトで経済性の高い炉の開発を目指している。原子炉容器のコンパクト化を図ることにより、ナトリウム（Na）流速が上昇し、原子炉容器内の自由液面に発生するくぼみ渦からカバーガスが液中に巻き込まれる「ガス巻込み現象」について、発生の抑制と評価が求められている。これに対し、現象を把握するための基礎的な試験、および実機形状を模擬した大スケールの試験などを実施しているが、取扱性などを考慮して作動流体には水を用いている。Naと水の物性値依存性については、円筒容器内の整流された定常状態での吸込み渦（伸長渦）について、Naと水でガス巻込み現象の発生条件がほぼ一致することが示された[8]。しかし、実際の現象では、渦が移動し成長と減衰を繰り返すなど、整流された定常状態とは異なる挙動を示すことから、そのような過渡的な渦によるガス巻込みの発生におけるNaと水の違いによる影響を確認することとした[9]。水とNaで同形状の試験装置を用い、前述の過渡的な渦を発生可能な形状において、ガス巻込みの発生条件を比較した。さらに、真空紫外域（VUV）レーザーを用いた可視化手法をガス巻込みNa試験に適用し、可視化実証試験を実施した。
①水流動試験
水試験では、Na試験に適合した可視化計測体系を前提に、目的とする過渡的なガス巻込み現象を実現できる流路形状を確認し、Na試験装置設計に反映するとともに、流速条件をパラメータとするガス巻込み発生条件を取得することを目的とした。
図6に水試験装置の形状を示す。装置はNa試験で側面からVUVレーザーによる可視化を行うため矩形の形状とし、直線上の流路にキャビティを設け、その底面から吸込配管を立ち上げた。キャビティの部分でせん断流れによる循環を発生させ、吸込配管に向かう下降流によってくぼみ渦を形成させる。矩形部の幅はガス巻込み現象に対する形状パラメータであるが、Na試験においてはVUVレーザーを透過させる厚みとなる。目的とするガス巻込み現象を発生させること、VUVレーザーによるナトリウム中の可視化実証を行うことを勘案し、これを100mm幅とした。
図7に試験で得られたガス巻込み現象の可視化写真を示す。くぼみ渦の先端がノズルに達し、ガスが巻込まれている。ガス巻込みが発生した時点での、液面より10mm下方での粒子画像流速計測法（PIV）で得られた流速ベクトルを合わせて図7に示す。渦が形成されていることがわかる。
水試験では、ナトリウム試験で得られる情報と比較できる試験データの取得を完了した。また、試験データを評価手法検証解析に供した。
②ナトリウム試験
図8にNa試験装置の概要を示す。試験部の形状は水試験に合わせた。大きな特徴として、矩形の装置側面のNa液面下に、レーザーを入射／受光するための液中可視化窓（フッ化カルシウム製）を有する。窓が破損した場合に高温の液体Naが外部に流出しないように窓の外側に箱型空間を設け、もう1枚の可視化窓を設置した。内側の窓が破損した際のNa最大流出量においても液面が外側の窓に達しないようにすることで安全を確保する設計とした。
ガスを巻込む吸込配管の下流には、ガスを分離するタンクと分離したガスをガス系に逃がすためのガス抜きポットを設けた。試験時には両者を仕切る弁を閉じ、ガスが溜まった場合には、ポンプを停止して弁を開け、溜まったガスを取り除く。ガス分離タンクには接点式液位計を設置し、分離されたガスを検知できる。VUVレーザー光源から試験体までレーザー光を導く光路管を設け、排気系とアルゴンガス系の併用によって光路管内の酸素を除去し、VUVレーザーの減衰を低減した。また、受光側には光路管と結像光学系ならびにICCD検出器を設置した。
ガス分離タンクでの検知によるガス巻込み発生条件を水試験と比較した結果、および液面形状の水とNaの比較結果を図9に示す。Naと水のガス巻込み発生条件は良く一致し、流入流速が小さいケースでNaの方が水に比べてわずかに発生しにくい結果となった。さらに、水およびNaの液面形状は、流速の小さいCase-1では比較的滑らかであるのに対し、流速の大きいCase-2では乱れていることがわかる。この液面形状の特徴は水とNaでよく似ていることから、フローパターンおよびガス巻込み発生のメカニズムは水とNaで同様であると考えられる。
また、VUVレーザーのナトリウム中の可視化実証を実施した結果、ICCDの感度が低いことに加え、ナトリウム中での減衰が、分光特性試験から外挿されるよりも大きく、吸収の少ない短波長側で光源の出力を増強する必要があることが分かった。
③評価手法の検証解析
既に開発済みのガス巻込み評価手法を水試験体系およびNa試験体系に適用し、試験結果との比較を行った。図10に水とNaの吸込配管上部での流速分布の比較を示す。水およびNa試験解析での流速境界条件は同じである。これによると水とNaのフローパターンはよく一致していることがわかる。この結果は水とNaにおけるガス巻込み発生条件の相似性を確認した実験結果と整合している。また、水試験においてPIVで得られた流速計測結果と水試験解析の結果からフローパターンが定性的に一致することを確認した。これらの点から渦を伴う流れ場に対する本解析手法の水およびNaへの適用性を確認した。
３．今後の展望
(1)ナトリウム流動場の可視化計測技術の評価
追跡元素が放射する誘導散乱光の3準位系分光計測によって実効的に検出信号強度を増大し、速度場計測の精度向上を図るとともに、電磁場に対する速度場の応答を調べ、LESによる数値計算結果との比較検討を実施し、ナトリウム流動の制御性を検証する。また、電磁流体の乱流数値解析では、平行平板間乱流で検討された付加条件をもとにサーマルストライピング現象における乱流制御に関する数値実験を実施し、壁面近傍での温度変動を低減化する機構に関する数値検討を実施する予定である。
(2)ガス巻込み評価手法のナトリウムに対する検証
Na試験で得られたガス巻込み発生条件および液面形状の画像を水試験結果と比較することで、流体物性の違いによるガス巻込み現象への影響を評価する。また、作動流体を水およびNaとした数値解析を継続し、既存のガス巻込み評価手法のナトリウムに対する適用性を評価する。一方、VUVレーザーのNa中の可視化実証については、レーザー強度の減衰量を定量的に評価するとともに、工学レベルでの課題を明確化する。
４．参考文献
[1] A. Yariv,“Quantum Electronics”(Whiley, New York, 1975)2nd ed.
[2] D. J. Brink et al., Opt. Lett. 7(1982)494-496.
[3] J. C. Sutherland et al., J. Opt. Soc. Am. 57(1967)645-650.
[4] 福田武司、木村暢之、他、第45回伝熱シンポ、pp.227 (2008).
[5] J. Sakakibara and R. J. Adrian, Experiments in Fluids 37(2004)331.340.
[6] H.R. Kim et al., Nucl. Eng. Des. 238 (2008) 280.284.
[7] 宇野亨、「FDTD 法による電磁界およびアンテナ解析」、コロナ社 (1998).
[8] 平沼健、岩重健五、他、原学会秋の大会、G20、G21 (1998).
[9] 上出英樹、木村暢之、他、第45回伝熱シンポ、pp.227 (2008).
