| 研究課題/領域番号 |
16K14535
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| 研究機関 | 山梨大学 |
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研究代表者 |
武田 哲明 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (30370422)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 自然循環流 / 分子拡散 / 安定成層 / 自然対流 / 超高温ガス炉 / 空気浸入 |
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| 研究実績の概要 |
今年度は同軸二重円筒容器を用いた実験を行うとともに，配管の破断位置の違いが空気浸入及び自然循環流の発生時刻に及ぼす影響について考察した．実験では，同軸二重円筒容器の下部に水平二重管を接続した装置内に，ヘリウムガスを充填し内側円筒を加熱，外側円筒を冷却し，その後，水平二重管の内外管のバルブを解放して空気を浸入させ，不安定な密度成層条件下で密度の異なる気体の浸入過程及び分子拡散を伴う自然対流による気体混合挙動を調べた．水平二重管の外管側の気体流速変化と装置内の空気のモル分率変化，装置内の気体温度変化から考察すると，バルブ開放と同時に流速が上昇するが，これは対向置換流により水平二重管から空気が装置内に浸入し，ヘリウムガスが装置外に放出されることによる．その後，流速が低下し再び上昇した．流速の低下は対向置換流終了後，拡散により装置外に気体が放出されるためである．最終的には時間の経過に伴い内側円筒内で生じる浮力が環状円筒部の気体を動かすだけの浮力を得たときに装置を一巡する自然循環流が発生し流速が上昇した．装置の上部・中間部では小刻みな温度変動が確認でき，自然対流が発生しているものと予想されるが，装置下部で対流は発生していないと考えられる．過去に行われた実験結果について，高温側流路の加熱壁平均温度を横軸に，配管破断後に流路下部から密度の大きい成分気体の自然循環流が発生する時刻を縦軸にとって配管の破断位置の違いが空気浸入及び自然循環流の発生時刻に及ぼす影響について考察した．加熱流路の高さが約1m以下の場合でも加熱流路側に局所的な自然循環流や自然対流が発生している場合には自然循環流の発生時刻は短くなる．さらに炉心下部の配管長が空気浸入量及び自然循環流発生時刻に大きな影響を及ぼすことを定量的に示した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
実験装置の製作も終了し，予定通り実験を開始できた．既に幾つかの条件において実験を行い，その成果は国内外の学会において報告した．また，予備的な実験の結果から自然循環流速の計測を精度良く行うことが容易でないことから，熱線風速計センサーの設置位置を適宜変更してヘリウムガス／空気の混合気体の流速を計測した．また，最初から空気を封入して自然循環流を発生させて，定常流速を計測し，これを基にヘリウムガスを封入した場合の自然循環流速の変化を考察するなどの対策を講じて速度計測を行っている．さらに，3次元熱流体数値解析を行うための解析モデルを構築し，予備解析も行い，予定通り進捗中である．多数の実験データを取得するために行った試験装置の改造については，装置上蓋から温度計測孔，濃度計測孔，圧力計測孔を設けた円筒容器の上蓋を設計し，現在製作中である．これを用いて，自然循環流を発生させた状態で上蓋からヘリウムガスを微少量注入して，自然循環流を制御する実験を開始することができる．以上のことから研究の進捗状況に問題はない．
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| 今後の研究の推進方策 |
来年度は，ヘリウム／空気の2成分混合気体について各部の温度をパラメータとした実験を終了するとともに，大量の空気が浸入する空気の自然循環流の発生を防止するため，既に自然循環流が発生している状態において，実験装置の上部または下部から微少量のヘリウムガスを注入することにより，空気の自然循環流を停止させる実験を行い，再び空気が分子拡散により浸入する状態に移行する現象を確認する．また，ヘリウムガスの注入位置，注入量をパラメータとして実験を行い，自然循環流の制御方法の定式化を目指す．一方，数値解析においては，得られた各部温度，自然循環流速，各部濃度について実験値と比較検討を行うことにより，解析結果を検証するとともに，GTHTR300Cの解析モデルを構築して実機の場合の空気浸入量，自然循環流の発生時刻を求め，空気浸入及びヘリウムガスとの混合挙動を推測する．また，これまでに行われた実験結果を含めて，配管破断の位置，炉心温度とヘリウムガスの注入量や注入する位置，原子炉下部からの配管長等をパラメータとして整理し，自然循環流発生条件の定式化，実機に対応したヘリウムガスによる空気の自然循環流の制御方法を確立する．
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