原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

Na冷却高速炉のタービン発電システムに関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　Na冷却高速炉のタービン発電システムにおいては、超臨界CO₂を作動流体とする。従来のNa冷却高速炉は作動流体としてNaと水を使うので、Naと水との激しい反応が安全性上の課題点となる。超臨界CO₂とNaとの反応は温度500℃〜550℃の領域においてもNa と水との反応ほど激しくない。そこで、このシステムでは従来の水に替えて超臨界CO₂を利用することで、安全性及び経済性に優れた超臨界CO₂タービン発電システムとなる。これを実現するために、在来のCO₂圧縮機の作動点からは離れた超臨界点近傍で作動するCO₂圧縮機の開発が必要である。このため、超臨界CO₂圧縮機を製作して、超臨界点近傍での性能試験を実施し、性能を評価する。また、翼列・運転制御解析を実施して、実機で使用する圧縮機の概念設計を実施する。更に、超臨界CO₂雰囲気中での構造材料の耐食性を評価することを目的とする。

２．研究開発成果

2.1 超臨界CO₂圧縮機性能試験
　超臨界CO₂圧縮機性能を試験する試験装置系統を図１に示す。CO₂の主な流れは、圧縮機を流出後、圧力の粗調整を膨張弁にて、圧力の微調整を圧力調整弁にて行なう。CO₂は冷却器で冷却され、温度は加熱器で微調整され圧縮機に流入する。この試験装置では、圧縮機でのCO₂流体条件は最高圧力9.6MPa、最高温度150℃、最大流量6kg/sでの試験が可能である。圧縮機の定格条件は回転数12,000rpm、流量：5kg/s、入口温度：35℃、入口流体圧力：6.8MPa、出口流体圧力：7.48MPaである。

　平成19年度に図１に示す試験装置系統を確立し、圧縮機を除く各機器を製作し、圧縮機の製作・設計を行ない、平成20年度に圧縮機の製作を行なっている。又、超臨界CO₂圧縮機性能試験のデータ範囲と試験計画を検討するために、圧縮機の性能や試験装置伝熱流動特性の予測評価を行なった。
　これまでの具体的な成果を記す。圧縮機性能試験装置については、構成機器及びシステムの詳細仕様を検討し、図１に示すシステムを構築し、構成機器の製作・設計及び製作を実施した。主要な製作機器は冷却器、温度調節加熱器、圧力調節タンク、CO₂タンク、制御弁（膨張弁、圧力調節弁と流量調節弁）および流量計等である。
　冷却器の構造はCO₂管外面に冷却水管を設置する2重管方式とし、CO₂管は65A×S40(外径：76.3mm、肉厚：5.2mm)で有効熱交換長：18.9m（2.7m管を上下方向に7段）とする。CO₂は最上段管から流入し、最下段管から流出する。CO₂管内部には伝熱促進用スワーラを設置する。水冷却管は80A×t3（外径：89.1mm、肉厚：3mm）で、冷却水は最下段管から流入し、最上段管から流出する。
　温度調節加熱器の熱源は電気ヒータで最大電気入力は8.2kWである。温度調節加熱器の構造はCO₂管外面に間接発熱電気ヒータを巻き付ける方式とし、CO₂管は65A×S40（外径：76.3mm、肉厚：5.2mm）で、長さ約4.4mで管内部に伝熱促進用スワーラを設置する。
　図2に試験装置の組立を示す。試験体である圧縮機は遠心式とし、製作・設計を行なった。これにより、片持ちインペラー、ガス軸受け、永久磁石使用の電動機より成るキャンド型遠心圧縮機の仕様が明確になった。圧縮機組立図を図3に示す。CO₂は図の左方から流入し、インペラの回転により流出する。羽根車内部の流動解析に関しては、流動解析(CFD)に使用した超臨界圧圧縮機の羽根車設計形状を図4に示す。左側の図は羽根車入口側から、右側の図は側面から見た図で、羽枚数は19枚である。流動解析は、翼間中心部で19分割し、翼の両サイドの部分について解析を実施、周期境界を仮定した。図5に解析結果の圧力分布を示す。左側は子午面の圧力分布を、右側は翼間の圧力分布である。圧力は翼に入って増速するために一旦圧力が低下し、半径が大きくなるに従って圧力が上昇し、翼の出口部では圧力面側の圧力が早く上昇している。羽根車出口以降も昇圧するのは、ベーンレスディフューザにより圧力が回復していることを示している。
　超臨界CO₂圧縮機性能試験データ範囲及び、試験実施計画を策定するために、循環ループの熱流動特性や圧縮機の特性を計算するプログラムを作成した。CO₂遠心圧縮機試験体の圧縮比、無次元流量、無次元回転数及び断熱効率相互間の予測性能式を、定格点性能より流体損失及び衝撃損失を差し引く方法により作成した。圧縮機流量と断熱効率との計算結果を図6に示す。
　本試験装置における、冷却器、温度調節加熱器、膨張弁等の圧力損失の流量・圧力・温度依存性を検討し、超臨界CO₂循環ループの圧力損失予測性能を計算した。その結果、試験装置での主要な圧力損失は制御弁、冷却器、温度調節加熱器等で生じることを確認できた。この試験装置に圧縮機を組み込み、圧縮機の流量と圧縮比の関係の計算結果を図7に示す。この図では圧縮機の回転数をパラメータにしている。回転数が大きい程圧縮比は大きくなる。流量により圧縮比に最大値賀あるが、この最大値付近にサージラインがあり、それより流量が小さい領域では運転ができない。この試験装置での運転可能範囲を示すために、試験装置の流動抵抗を最小にした場合（図7でラインCD）と各制御弁開度を80%にした場合(ラインAB)を示す。実際の運転可能範囲はラインABとCDで囲まれた部分になると考えられる。

2.2 超臨界CO₂機器・システムに関する設計及び解析
2.2.1翼列解析
　翼列解析では汎用解析コードFLUENTにより、実機で使用する軸流高圧圧縮機翼列（案内翼＋動翼＋静翼）のメッシュ作成及びCO₂物性値を理想気体近似として、翼列形状を変えた基礎流体解析を実施した。翼列解析のモデルを図8に示す。FLUENTにより流体力学特性である翼周りの圧力分布、速度分布、質量流量等の計算結果を得た。図9に流路の圧力と速度分布例（動翼入口圧力：19.15MPa）を示す。臨界点近傍での計算では収束解が得られず計算が発散する例が多い。一方、温度が323.2K以上で臨界点から少し離れた作動条件では収束解が得られた。臨界点近傍で計算が発散するのは、臨界点近傍での大きな物性値変化が起因していると考えられる。バイパス圧縮機については、圧縮機空力設計よりサイクル計算上の設計点（出入口圧力、温度、流量）を選定し、翼列設計条件（段数、回転数、アスペクト比、軸流速度等）を設定した。翼列形状・寸法（出入口角度、コード長さ、傾き角）を算出し、FLUENTによるメッシュ作成及び試計算を実施した。計算に用いた1段目の動翼と静翼の形状を図10に示す。
2.2.2 運転制御解析
　運転制御解析では超臨界CO₂ガスタービン発電システムの運転制御解析の計算プログラム初年度分として、原子炉、ガスタービン、圧縮機及び冷却器から構成される発電システムの計算プログラムを開発した。このプログラムを用いて、発電機負荷喪失事象の場合に、回転数の異常上昇を抑えるために、CO₂を貯蔵タンクに急放出することにより、回転数制御を行う運転制御解析を実施した。図11に50%負荷変動後の回転数を示す。この結果、排気流量を変えることにより回転数制御ができ、50%負荷変動時には、40kg/s以上の排気流量で放出すれば許容回転数以下に抑えられることが分かった。
2.3 超臨界CO₂中における耐食性に関する研究
　本研究では、長時間の耐食性評価試験研究を実施する。試験装置は10MPa仕様の超臨界CO₂中材料腐食試験装置を20MPa仕様に高圧化して用いた。図12に20MPa、400〜600℃での腐食試験ができるようにした腐食試験装置の構成を示す。腐食試験部は流れ方向6連の電気炉で加熱され、両端部を除いた中間4連で400、500550、600℃に温度制御される。試験には2種類の高速炉構造材料候補材（316FRおよび高クロム鋼（12Cr））を供している。20MPa、400-600℃の高温超臨界CO₂中において、腐食試験を開始し、平成20年10月現在、累積試験時間は約2,000hである。これまでに、腐食評価用の試料採取を500h経過時および1,000h経過時に行い、試験前後の重量変化（腐食量に相当）を測定した。また、1,000h浸漬材については、光学顕微鏡およびX線マイクロアナライザを用いた金属組織学的評価を実施している。高クロム鋼（12Cr鋼）および316FR鋼の1,000h試験後の重量変化測定結果を図13に示す。両鋼ともに、腐食量の温度依存性が確認された。その量は、12Cr鋼では600℃-1000h浸漬後で約85g/m²であるのに対し、316FRでは同一条件で約2g/m²以下とわずかであった。

３．今後の展望

　圧縮機性能試験では、試験装置を完成させ性能試験を行なう。更に、H21年度に小型インペラーの性能試験を加えて、実機圧縮機の設計・解析結果を併せて運転性能基礎特性を明らかにする。実機ターボ機械設計では実機の超臨界CO₂ターボ機械の概念設計を実施し、性能、寸法を求め、起動・停止手順につき検討する。翼列・運転制御解析ではFLUENTにての解析より、翼列の流動特性を明らかにする。運転制御解析プログラムを開発し、超臨界CO₂ガスタービンシステムの運転特性を求める。高速炉構造材料候補材の超臨界CO₂中腐食試験では、20MPa、400〜600℃の腐食試験を継続し、腐食特性に及ぼす温度や時間の依存性を調べるとともに、試験片の金属組織観察を実施して、超臨界CO₂雰囲気中での構造材料の高温・長時間耐食性を評価する。