原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
流量拡張性に優れ苛酷環境に適用する電磁流量計に関する研究開発
（研究代表者）大田裕之 電力システム社
（再委託先）国立大学法人大阪大学、独立行政法人日本原子力研究開発機構（平成21年度より）
１．研究開発の背景とねらい
１．１ 研究の背景
ナトリウム冷却高速炉においては、電磁流量計を配管の外側に設置してナトリウム流量を計測することが一般的である。しかし、高速炉実用化にあたって、プラント出力規模が大きくなり、ナトリウム流量が多くなると様々な課題を抱えることになる。例えば、高速増殖炉サイクルの実用化開発で検討されているループ型大型高速炉（JSFR）では配管に磁性鋼を用いるため電磁流量計を設置できず、別の流量計測手段が必要となってきている。また、大流量のナトリウム実流校正は校正設備に非常にコストがかかるという本質的な課題がある。タンク型高速炉では、1次系に配管が無く、さらに温度・放射線環境が厳しいため、通常タイプの電磁流量計の設置が困難であるという課題があった。
１．２ 研究の狙い
図1 新型電磁流量計概念図
（1セグメント分のみ図示）
上記の課題を克服することを狙いとして、本研究では一般的な配管での流量計測ではなく、中間熱交換器（IHX）とポンプの合体機器や電磁ポンプにある環状のナトリウム流路部に着目し、その環状流路のナトリウム流量を複数の電磁流量計（セグメント分割）で計測するという新しい概念を創出した。図1にその1セグメント分の電磁流量計の概念図を示す。環状流路の外側ダクト部に Ｍ 型 の耐熱・耐放射線性電磁石と1対の電極を設置し、フレミングの法則によりナトリウムの流速に応じて発生する起電力を計測するという方式である。
本研究では、上記概念を元に、ループ型炉であるJSFRやタンク型炉である4S(Super-Safe, Small and Simple)の環状流路部のナトリウム流量を計測するために、セグメントで分かれていることで流量拡張性に優れかつ、大規模な実流校正が不要であり、ナトリウム冷却炉の高温・高放射線環境下で使用可能な電磁流量計を開発することを目的とする。
２．研究開発成果
本研究は平成20年度から3ヵ年の計画で進める予定であり、1年目の平成20年度は電磁流量計設計、電磁流量計試験体の基本設計、ナトリウム試験計画の検討を行った。以下にその研究開発成果を示す。
２．１ 電磁流量計設計
１）要求される機能・性能の検討
JSFRや4Sにおいて要求される機能・性能の検討を行い、設置場所や流量計測範囲等の要求仕様の摘出を行った。表1にそのまとめを示す。設置場所として、FBR実用炉中間熱交換器電磁ポンプ合体機器（IHX-EMP合体機器）では5台並列のEMPの環状流路部とし、中間熱交換器機械ポンプ合体機器（IHX-MP合体機器）では合体機器の環状流路部を候補とした。また、4Sでは、EMPの環状流路部とした。温度条件は定格時の運転温度として、JSFRでは約395℃、4Sでは約355℃とした。流量測定範囲は、FBR実用炉では定格流量の約10〜130％、4Sでは定格流量の約30〜130％を設定した。
図2 電位ポテンシャル解析例(4S)
２）電磁流量計の基本設計
JSFRや4Sにおいて適用可能なセグメント分割の電磁流量計の基本設計を行い、基本仕様を設定した。電磁流量計の設計条件として、JSFRでは、IHX-EMP合体機器（EMP5台並列）においては流路高さ約68mm、外ダクト内径約708mm、IHX-MP合体機器においては流路高さ約230mm、外ダクト内径約3080mmを設定した。4Sでは、流路高さ約15mm、外ダクト内径約2600mmを設定した。電磁流量計出力電圧として、JSFRでは定格流量で約10mV、4Sでは約5mVの出力が得られることを目標としてコイル・鉄心等の構造設計を行い、磁場解析により磁場分布を設定した。
図3 3次元電位ポテンシャルコンタ図例(4S)
図4 出力電圧特性解析例（4S）
３）3次元電磁流体解析による特性解析評価
２）の基本設計の設計条件から、汎用流動解析コード（Star-CD）と3次元電磁流体解析コード（Falcon）を連成させた解析を行った。
JSFR（IHX-EMP合体機器、IHX-MP合体機器）ではナトリウム中に磁場を発生させるためのコイルに印加する励磁電流として、IHX-EMP合体機器：400AT(アンペアターン)、IHX-MP合体機器：1500AT、4Sでは1200ATとすることで、それぞれJSFRでは10mV以上、4Sでは5mV以上の出力電圧が得られた。また、流量依存性として流量増加に対して出力電圧が単調増加する特性が得られる解析結果となり、実機適用の際の流量計としての成立性の見通しが得られた。
２．２ 電磁流量計試験体の基本設計・試作
１）試験体基本設計
平成21年度からナトリウム試験体（電磁流量計およびその周辺のナトリウム流路）を製作するにあたって試験体の基本設計を行った。セグメント流量計としての成立性を確認するために、6セグメントの電磁流量計を設置し360°全周をモデル化した電磁流量計試験体Aと、1セグメントの電磁流量計を設置し60°部分をモデル化した電磁流量計試験体Bの2種類のナトリウム試験体を試作することとした。図5に試験体の概要を示す。平成22年度に実施するナトリウム試験の目標最大流量約1.5m3/minから、360°全周モデル試験体で約1m/s、60°部分モデル試験体で約6m/sの流速が得られるように、主要寸法として外ダクト内径約800mmφ、全高約2000mm、ナトリウムが流れる流路高さを約10mmと設定した。
図5 電磁流量計試験体
２）試験体計測システムの検討
電磁流量計は、電磁場の影響で部分的に流速分布の歪みが生じることが考えられる。その流速分布を知るためには、超音波流量計を用いて部分的な流速を計測する必要がある。このため、流速分布の計測を行うにあたって超音波流量計（耐熱約200℃）を備えた試験体計測システムの基本検討を行った。電磁流量計試験体の基本構造から、超音波センサの着脱が可能なように、外ダクトに斜角の超音波センサを取付けて計測する概念とした。この概念のフィージビリティを確認するために、ナトリウムが流れる流路高さ約10mmと狭いギャップにおいて、超音波による計測が可能かフィージビリティ確認水試験を行い成立性の見通しを得た。
２．３電磁流量計試験体のナトリウム試験
図6 東芝Naループにおける電磁流量計試験体の設置場所検討結果
１）ナトリウム試験計画の検討
平成22年度に東芝所有のナトリウムループで試験を行うにあたって、電磁流量計試験体を既存ナトリウム試験ループへ配置する配置検討を行い、構成する機器や配管のレイアウトを設定した。図6に電磁流量計試験体の設置位置を示す。また、図6における配管レイアウトに対してナトリウム試験ループの健全性確認の観点から、配管構造解析を実施した。配管引き回しにおける応力を評価した結果、許容応力以下であることを確認した。
また、試験条件として、下記に示す様に、2種類の試験体に対して、ナトリウム温度：200〜395℃、ナトリウム最大流量は1.5m3/minを暫定目標として試験条件案を策定した。試験条件については、平成21年度も引き続き詳細な検討を実施中である。
〔試験条件案〕
○Na試験体：試験体A（360°全周モデル）、試験体B（60°セクタモデル）
超音波による局所流速計測システムは試験体Bに設置する。
○Na温度：200℃〜395℃
○Na最大流量：約1.2〜1.5m3/min
○励磁電流：1000AT〜2000AT程度
３．今後の展望
写真1 電磁流量計試作状況
表2に実施工程を示す。平成21年度は、電磁流量計試験体（360°全周モデル、60°セクターモデル）の設計・製作・工場試験、および電磁流量計試験用ループの設計・施工を実施中である。写真1に、電磁流量計試験体の試作状況を示す。解析では、セグメント流量計としての成立性確認のためにセグメント間相互作用の解析評価を実施中である。また、電磁流量計の電磁場によるナトリウム流動への影響を確認することを目的とした超音波による試験体計測システムの検討を実施中である。平成22年度には、実際にナトリウム試験を行い、出力特性等の特性データを採取し、データ評価等を実施する予定としている。
４．参考文献
(1)三井久安,他,電気学論A,117巻8号(1996).
(2)T. Shimizu, et al., Code, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.37, No.12, pp1038-1048(2000).
(3)T. Shimizu, et al., Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.38, No.1, pp19-29(2001)
