原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
過渡時の自然循環による除熱特性解析手法の開発
（研究代表者）渡辺 収
（再委託先）財団法人電力中央研究所、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
「もんじゅ」等、これまでのナトリウム冷却炉では、原子炉停止時の炉心崩壊熱除去は強制循環によって行われ、自然循環は強制循環不作動時のバックアップという位置づけであった。「常陽」による自然循環試験やトップエントリ型FBR実証炉向けに行われた各種試験研究の結果、自然
循環のみによって崩壊熱除去が可能であること、これにより動力によらない信頼性の高いシステムを構成することが可能であることが明らかになってきた。これらを踏まえて、高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究フェーズⅡでは、強制循環に頼らない「完全自然循環式崩壊熱除去系」を採用し、高い信頼性と経済性を兼ね備えたナトリウム冷却大型炉（大型炉）の実現を目指している。
本事業では、大型炉の１次系の挙動を再現可能なシステム水試験と炉心から空気冷却器に至る一連の熱輸送系を模擬したナトリウム試験を実施することによって、上述した熱流動上の課題を摘出し、解決を図る。これに基づいて大型炉の自然循環除熱挙動を予測評価できる解析評価技術を開発する。
２．研究開発成果
２．１ 研究開発の概要
システム水試験及びナトリウム試験により自然循環崩壊熱除去に関する熱流動課題を解決し、大型炉の自然循環除熱挙動を予測評価できる解析評価手法を開発する。具体的には、従来の１次元評価手法の改良に加え、原子炉容器(RV)及び１次系各部で発生する温度成層化や偏流現象を評価できる3 次元の評価手法を開発する。また、安全審査で重要となる炉心高温点（ホットスポット）の評価手法を開発する。
本事業の開発スケジュールを表１、大型炉に対する解析評価の構想を図１、研究開発項目を以下に示す。
①・・・試験条件及び評価手法の設定…各研究課題の具体化
②・・・システム水試験…熱流動上の課題の摘出と解決
③・・・自然循環時伝熱流動特性の確認
④・・・自然循環及び炉心高温点評価手法の開発
２．２ 研究開発成果
平成20 年度までの成果を以下に示す。
a．試験条件設定のための解析
大型炉を対象として既存の1 次元自然循環評価手法による解析を行い、システム水試験及びナトリウム試験で模擬すべき大型炉の過渡条件を検討した。システム水試験で模擬すべき過渡事象として、32 のプラント過渡事象から４事象（外部電源喪失、２次ナトリウム漏えい、崩壊熱除去系の２次ナトリウム漏えい、１次ポンプ１台軸固着）を選定した。また、ナトリウム試験では、１次系共用型炉心冷却系（PRACS）の伝熱性能を確認した上で、外部電源喪失を対象とした試験を実施することとした。
ｂ．システム水試験条件の設定
水試験では、ナトリウムを水で置き換えて、大型炉と相似な伝熱流動状態を実現する。相似則に基づいて実機状態を再現する上で、装置の模擬可能範囲を明らかにしてシステム全体に対する模擬試験の考え方を整理し、システム水試験装置の基本的な仕様及び試験条件を設定した。システム水試験での各模擬事象について、定常から過渡試験に至る運転方法を明確にし、これまでに実施されてきた自然循環崩壊熱除去解析結果に基づき、模擬事象毎に、過渡変化の特徴、試験模擬方法、主要評価項目及び試験上の課題を整理した。
ｃ．ナトリウム試験条件の設定
大型炉のPRACS の設計に基づき、既設のナトリウム試験装置に設置するPRACS の試験条件を設定し、PRACS を含む試験部の構造を検討した。また、崩壊熱除去系の２次ナトリウム系、空気系の自然循環を縮尺約1/8 のRi 数相似条件で模擬できるよう系統構成を検討し、PRACS 熱交換器(PHX)の除熱特性、系統自然循環に関する試験計画を設定した。
ａ．１次元自然循環評価手法
大型炉の自然循環を評価する上での解析モデル上の課題を摘出し、改良が必要な部位（プレナム部（RV 上部及び下部、中間熱交換器（IHX）上下）、大口径配管、熱交換部及び炉心ホッテストピン）について改良方針を設定して改良方法を具体化した。
ｂ．３次元自然循環評価手法
RV を含む１次冷却系を全て３次元でモデル化する評価手法を開発するため、既存の３次元熱流動解析コードの候補として５つの解析コード（STAR-CD、FLUENT、u-FLOW、APUS、CFD++）を選定し、同一モデルでの比較解析により、大型炉の自然循環評価に適用する3 次元熱流動解析コードとしてSTAR-CD を選定した。最終目標とする解析モデル概念を図２に示す。
ｃ．炉心高温点評価手法
炉心燃料健全性評価では、工学的安全係数を考慮して燃料被覆材最高温度を評価する必要がある。国内外の既往の研究成果に基づき、炉心高温点評価に対する影響因子を網羅的に抽出し、自然循環時に発生する熱流動現象との関係を明らかにすることによって自然循環に適用できる炉心高温点評価手法の開発手順を設定した。
平成19 年度に製作し電力中央研究所地球工学研究所に設置した大型炉の１次系2 ループを模擬したシステム水試験装置（1/10 縮尺モデル）を用いて、試験条件の設定で選定された５事象の試験手順を設定し、定常から過渡に至る模擬試験を実施した。模擬試験で得られた温度・流量等を評価した結果、各事象ともに事象発生後に安定した自然循環状態に移行することを確認した。システム水試験装置の全体概要を図３、外部電源喪失模擬試験結果を図４に示す。また、２次ナトリウム漏えい模擬試験でみられた同一ループでの１次系コールドレグ(CL)配管流れの相互振動等、今後解決すべき課題が摘出された。２次ナトリウム漏えい模擬試験結果を図５に示す。
平成19 年度に製作した試験部（PRACS 試験機器）を既設のナトリウム試験ループに設置し、既設ループとの接続部となるPRACS 試験機器(Ⅱ)を製作することでナトリウム試験装置として完成させ、代表的な1 事象として全系統が自然循環となる過渡試験を行った。その結果、PRACS を始めとする各系統の流量が浮力によって確保され、模擬炉心が自然循環によって冷却できること、PRACS 熱交換器を含むIHX 内部の熱流動特性を明らかにした。PRACS 試験機器等の据付状態を図６、全系統自然循環試験結果を図７に示す。
(1) １次元自然循環評価手法
評価手法の設定に基づき、RV 上部・下部プレナム部、ポンプ組込型IHX の上部・下部プレナム部及び配管部について、システム水試験結果に基づき、1 次元モデルの適用性を検討した。RV 下部プレナム部及びポンプ組込型IHX 下部プレナム部については、システム水試験結果から温度成層化の境界高さを分析して、1 次元モデルを改良した。
(2) ３次元自然循環評価手法
RV、ポンプ組込型IHX、ホットレグ(HL)配管、CL 配管の3 次元部分モデルを作成・結合して2 ループ体系のプラント全体モデルを作成した。作成したプラント全体モデルについて定常及び過渡解析を行い、解析機能に問題がないこと及び並列計算による計算時間等を確認した。過渡600 秒後での１次系内温度分布を図８に示す。
(3) 炉心高温点評価手法
炉心高温点の評価手順を設定し、外部電源喪失事象と2 次ナトリウム漏洩事象について大型炉を対象としたプラント動特性解析及び集合体内熱流動解析を行い、過渡時のホッテスト集合体内最高温度に与える集合体形状や出力分布などの影響を定量的に評価した。検討した影響因子を考慮して、プラント動特性解析コードと集合体内熱流動解析コードを組み合わせ、大型炉を対象とした炉心高温点評価を行った。これらの結果に基づいて自然循環を対象とした炉心高温点評価手法を構築した。また、これまでの実験研究の知見並びに解析的知見に基づいて、炉心高温点の簡易評価法について検討し、浮力及び炉心径方向熱移行効果に関する取扱いを設定した。全炉心熱流動解析コードACT を用いて、外部電源喪失事象と2 次ナトリウム漏洩事象について大型炉を対象とした全炉心詳細熱流動解析を行い、構築した炉心高温点評価手法の妥当性を評価した。
(1) 1 次元自然循環評価手法
RV を含む１次系一巡の圧力損失、熱交換器（IHX、PHX 及びDHX）の伝熱性能、自然循環移行方法について検討し、システム水試験装置全体を対象とした1 次元モデルを作成した。作成した1 次元モデルを用いて、代表的な自然循環運転事象である外部電源喪失事象のシステム水試験結果に基づく検証解析を行い、1 次元自然循環評価手法の妥当性を評価した。
(2) ３次元自然循環評価手法
システム水試験装置の１次系を対象とした3 次元部分モデルを結合して2 ループ体系の試験装置全体モデルを作成した。作成した全体モデルを用いて、外部電源喪失事象のシステム水試験結果に基づく検証解析を行い、3 次元自然循環評価手法の妥当性を評価した。１次系流量を試験結果と比較して図９に示す。
平成20 年度末現在、ほぼ計画通り進捗し、所期の成果を得た。
３．今後の展望
最終年度の平成21 年度は、自然循環崩壊熱除去系の課題を解決するためにシステム水試験及びナトリウム試験を実施するとともに、これらの試験結果に基づいた自然循環評価手法の検証を行う。また、検証された自然循環評価手法及び炉心高温点評価手法を用いて大型炉の自然循環の予測評価を行う。これらに基づいて完全自然循環式崩壊熱除去系の評価手法を確立する。
図１ 大型炉の解析評価の構想
図２ 最終目標とする解析モデル概念
図３ システム水試験装置の全体概要
図４ 外部電源喪失模擬試験結果
図５ ２次ナトリウム漏洩模擬試験結果
図６ PRACS 試験機器の据付状態
図７ 全系統自然循環試験結果
図８ 過渡600 秒後の１次系内温度分布（大型炉）
図９ １次系流量比較（システム水試験装置）
