| 研究課題/領域番号 |
19K05322
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
坂下 弘人 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00142696)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 原子炉過酷事故 / デブリベッド / 沸騰伝熱 / 限界熱流束 |
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| 研究実績の概要 |
福島第一原子力発電所の事故以降，現行の軽水炉では，過酷事故時が発生した際に溶融炉心が圧力容器底部を貫通する前に格納容器内を事前水張りする過酷事故緩和策が検討されている．この場合，落下した溶融炉心は格納容器底部のコンクリート床上に堆積して溶融プールを形成するとともに，溶融炉心の一部は水中を落下する途中で分散・固化して粒子化する．溶融プール上面は冷却により固化し表面に固化層（クラスト）が形成され，水中に分散した粒子状デブリはクラスト上に堆積して粒子層を形成する．溶融プールの崩壊熱は，クラスト表面で水の沸騰によって除熱される．ただし，沸騰熱伝達には限界熱流束(Critical Heat Flux，以下CHFと略す)と呼ばれる除熱限界が存在し，クラスト表面からの熱流束がCHFを超えると，クラスト表面は蒸気膜に覆われ除熱不能となる．
本研究の目的は，粒子層の堆積がクラスト表面でのCHFに与える影響を明らかにすることにより，事前水張りによる過酷事故緩和策の有効性を検証することにある．本年度は，CHF測定実験に供する実験装置の作成を行った．また，堆積粒子層は実際には崩壊熱による内部発熱を伴うが，本年度は非発熱粒子を堆積させた体系でのCHFの測定を行った．溶融プール上面のクラストを模擬した銅製伝熱面は寸法の影響を極力排除するために直径75mmと大きくして，堆積させる粒子径は2mmから15mmまで変化させた．その結果，粒子層が堆積した伝熱面のCHFは裸面の値より小さく，粒径の減少とともに低下することが明らかとなった．また，粒子層内の気液流動の限界をCHFの発生機構と仮定する従来のモデルによる予測値は，本実験結果を大幅に過大評価することが明らかとなった．
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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
本研究の最終的な目的は，伝熱面上に堆積した粒子層の発熱が，伝熱面からの沸騰除熱限界(CHF)に与える影響を明らかにすることで，過酷事故緩和策の有効性を検証することである．本年度は，CHF測定のための実験装置を作成するとともに，予備的な実験として非発熱粒子層を堆積させた体系での測定を行った．その結果，本実験装置を用いてCHFの測定を問題なく実施できることを確認するとともに，粒子径がCHFに与える影響を明らかにすることができた．以上の結果より，次年度以降に予定している，粒子層を内部発熱させた場合のCHF測定実験を実施できる見通しを得た．
以上，本研究は，当初の予定通りおおむね順調に進展していると判断できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度は，銅製伝熱面上に堆積した粒子層を内部発熱させた体系での実験を実施する．粒子には磁性体である鋼（スチール）を用い，高周波誘導加熱装置によって発熱させる．沸騰容器周囲に設置する誘導加熱コイルによって形成される磁力線は磁性体に集中して流れるため，非磁性体の銅ブロックを加熱せず鋼球のみを選択的に加熱させることができる．粒子径は3mmから15mmまで変化させ，粒子層の発熱量を広範囲に変えてCHFの測定を実施する．既往のモデルでは，伝熱面上のCHFは粒子層の発熱量の増加に伴って単調に減少すると予測する．これは，粒子層の発熱条件によっては溶融プール上面からの沸騰による除熱ができなくなることを意味しており，事前水張りによる過酷事故緩和策の有効性にとって極めて深刻である．既往モデルによるこの予測が妥当か否かを検証することが本年度の研究の主な目的となる．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
600,000円を前倒し請求をしたが，実験に使用した消耗品の価格が当初予定より安価だったため，次年度使用額が生じたものである．次年度の実験の消耗品購入に充てる予定である．
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