原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

TRU 燃料集合体組立時の燃料バンドル冷却評価技術の開発

１．研究開発の背景とねらい

　FBRサイクル実用化時代には低除染TRU燃料を製造し、利用する計画である。この燃料は超ウラン元素（以下「TRU」という）を含有し発熱することから、燃料製造組立工程において適切に冷却を行うためのシステムの検討と冷却評価技術の開発が必要であり、本事業では以下を実施する。

1 TRU 燃料バンドルを空気で冷却する場合について、フルモックアップ集合体及び少数ピンモデルを用いての温度・流速計測試験に基づく冷却挙動評価手法の整備。

2 燃料被覆管の健全性に影響を及ぼさない温度（通常運転時 200℃以下、過渡時30 秒後において300℃以下）に保持する機能を有する冷却システム概念の構築。

3 異常な送風冷却停止時の対処策検討のための冷却停止後の被覆管温度上昇挙動の評価。図１に燃料集合体組立時の冷却の基本概念を示す。製造工程では、ラッピングワイヤ型燃料バンドルを横置きの状態で空気により冷却を行う計画であり、狭隘流路でのクロスフローに留意した熱流動解析が重要となる。

　上記を行うために、小数ピン拡大モデル熱流動試験を行い、粒子画像流速計測法（PIV）による詳細流動データ等に基づいてミクロ評価ツールを整備し、燃料バンドル全体を解析評価する伝熱・流動モデルを選定し、バンドル全体を扱うサブチャンネルコードの評価モデルを作成する。また、255 本の発熱ピンで燃料集合体を模擬したフルモックアップ試験装置による定常発熱試験および送風停止試験を行い、過渡時を含めた除熱特性を明らかにすると同時に、燃料バンドル全体を扱う解析評価ツールとしてサブチャンネルコードの評価モデルを整備し、試験データに基づいた精度を明らかにする。このことで仕様が異なるバンドルへの適用を可能とする。これら試験データおよび評価ツールによる解析結果を基に冷却システム構造概念を構築する。

２．研究開発成果

2.1 PIV データ活用によるミクロ評価ツールの検討

　2 次元少数ピンモデル試験装置を用いて定常及び冷却停止試験を行い、PIVおよび熱電対により詳細な流速・温度分布データを取得し、ミクロ評価ツールで使用する乱流モデル、壁関数モデルを選定した。
　図2 に燃料ピン5 本部分を5 倍に拡大した2 次元少数ピンモデル可視化試験装置（下部から空気で冷却）を示す（ワイヤ取付け角度を軸方向に固定しているがピンの回転でワイヤ角度の変更が可能）。
　図3 左側にPIV計測で使用した燃料ピン内からプリズムによりレーザーを隣接サブチャンネルに投射する概念を、図3 右側に試験状況の写真を示す。このPIV手法の適用により、3 本のピンで囲まれたサブチャンネル内のミクロな流速場データの取得に成功した。

　ミクロ評価ツールである「FLUENT」を用いて2 次元少数ピンモデル試験の感度解析を実施し、図4 が示すように、乱流モデルとしてはRNG k-ε モデル、RSM モデルが計測データとの一致度が良好であり、実用性の観点で燃料バンドルの解析にはRNG k-ε モデルが適すると判断した（高度モデルであるRSM の燃料バンドル解析への適用は膨大な計算時間を要する）。また壁関数としては図5 が示すようにEWT（改良壁処理）が適することを確認した。

　次いで、上述したミクロ評価モデルをバンドル体系に適用し、実機バンドル（P/D：1.1、P：ピンピッチ、D:ピン径）に適合する分布流動抵抗モデル（DRM）と伝熱相関式を作成した。図6 にP/D が1.21 の試験と解析の一致性およびP/D が実機の1.1 の場合におけるDRM の解析値を示す。図7 にヌセルト数のレイノルズ数依存について実験値と解析の比較を示す。RNGk-εモデルとEWT の組合せが適することが判る。P/D が1.1 のバンドルの伝熱相関式を下記に設定した。

2.2 TRU 燃料集合体組立時の燃料バンドル冷却評価ツールの整備

　実機燃料集合体フルモックアップの横置裸バンドル体系除熱試験装置用いて定常および冷却停止過渡試験を行い燃料バンドル内の温度分布データを取得した。表１に燃料集合体の主要な仕様を示す。燃料バンドルとそれを支えるバッフル板間距離はバンドル組立上5mm が必要となるが、冷却に寄与しない無駄流量を減らすための、組立てに支障を与えること無くギャップを閉じる構造設計の目処が立ったので、試験ではギャップが2 通りの場合について実施した。図8 に燃料バンドル組立後の写真を示す。バンドルには軸方向3 断面内に、被覆管表面温度測定用熱電対60 本（径0.3mm）とサブチャンネル空気温度測定用熱電対60 本（径0.15mm）を装着した。図9 にフルモックアップ試験装置全体図、図10 に装置の全体写真を示す。横置き燃料バンドルの均一な発熱部（100cm）に均一に空気を送り込む必要があり、大型の送風ダクトを設置している。図11 に横置裸バンドル定常除熱試験による被覆管最高温度上昇を示す。被覆管最高温度はバンドル上層部の中央部付近に発生し、出力にほぼ比例、流速にほぼ反比例している。試験の範囲において、被覆管最高温度は目標とする被覆管制限温度200℃を十分に下回っている。図12 に横置裸バンドルの冷却停止過渡試験結果を示す。定常および300 秒後の被覆管最高温度上昇を示している。温度の上昇率は極めて緩慢であり、試験の範囲で、目標とする30 秒後において300℃以下という制限値を十分下回る結果が得られた。

　横置裸バンドルにラッパ管を被せ、軸方向に除熱する試験装置に改造し、定常および冷却停止過渡試験を実施中である（図13 左に装置全体図、右にラッパ管を装着した燃料バンドルを示す）。冷却停止後の温度上昇が比較的緩慢であるデータが得られはじめている。

　燃料バンドル冷却評価ツールの整備ではサブチャンネルコードに上述のDRM モデル、伝熱相関式を取り入れた他、新たに自然対流モデルを組み込んで横置裸バンドル体系での過渡解析を可能とした。図14 にバンドル/バッフル板間距離が5mm の場合の被覆管温度上昇の試験と解析の比較を示す。図15 にバンドル/バッフル板間距離が0mm の試験の場合の距離をパラメータとした解析の一例を示す。10th layer はバンドル最上段のピン層を示し、9th layer 以下、順次下側のピン層を示す。距離5mm の場合については解析精度が±5℃以内に入っているが、距離が0mm の場合については、バンドル下部での一致度にやや開きがあり、流量配分、伝熱相関式等について3 次元詳細解析等を通した分析作業を続けている。過 渡解析結果においても被覆管温度上昇速度にやや開きが見られるので、自然対流モデルも含めて検討中である。

2.3 TRU 燃料集合体組立時の冷却システム概念の構築

　安全設計の考え方の整理に基づき、設計要求事項を抽出し、冷却システム構成として、径方向と軸方向送風機を独立させそれぞれが並列送風機2 機（逆止弁付）から構成されるシステムを選定した。また、バンドル入口部空気の整流方式について流動解析を通して検討し、パンチング・ハニカム組合方式を選定した。以上に基づき冷却システムの主要設備仕様を定め、構造図を作成中である。図15 に選定した冷却システムの構成を示す。

３．今後の展望

　これまでの研究により当初の狙いがほぼ達成できる見通しが得られたことより、TRU 燃料集合体バンドル組立時の除熱の課題はほぼ解決したと考えられる。但し、燃料製造施設を通しての耐震性、安全性確保の考え方に立脚した検討、ラッパ管が覆った状態での移送時、貯蔵時の評価手法の開発、燃料温度検知手法の検討（例えば放射温度計の適用）を行うことで、実機燃料バンドル組立設備としての設計が可能となると考えられる。