(57)【要約】【課題】高温液体中に低温液体が取り込まれる接触形態を一定に設定でき、その時の両液体の温度及び量を精度よく設定できるようにする。また、接触の際に発生する圧力及び温度変化を精度よく計測できるようにする。【解決手段】加熱装置により加熱可能で高温液体１６を収容する外容器１０と、外容器の底部に設けた突起物１８と、冷却装置により冷却可能で底部が破断可能な金属箔２２からなる内容器１２と、内容器内に収容可能で且つ底部の金属箔を破断することで内容器外に出ることが可能で低温液体２４を収容するガラス製容器２６と、ガラス製容器の駆動機構４６と、各所に配設した温度・圧力計測手段とを具備し、駆動機構によりガラス製容器を降下させ突起物に衝突させて割ることによって低温液体を高温液体中に放出させる。【選択図】      図１
2005030874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱装置により加熱可能で高温液体を収容する外容器と、該外容器の内底部に設けた突起物と、外容器の内部上方に位置して冷却装置により冷却可能で底部が破断可能な金属箔からなる内容器と、該内容器内に収容可能で且つ底部の金属箔を破断することで内容器外に出ることが可能で低温液体を収容するガラス製容器と、該ガラス製容器の駆動機構と、各所に配設した温度・圧力計測手段とを具備し、前記駆動機構によりガラス製容器を降下させ突起物に衝突させて割ることによって低温液体を高温液体中に放出させるようにしたことを特徴とするエントラップ型熱的相互作用試験装置。
【請求項２】
ガラス製容器の駆動機構が速度可変式であって、その駆動棒の下端にガラス製容器が接続される請求項１記載のエントラップ型熱的相互作用試験装置。
【請求項３】
ガラス製容器が平底タイプの理化学用フラスコであって、その底面及び側面に格子状に傷を付けておき、衝突の際に瞬時に細かく割れるようにした請求項１又は２記載のエントラップ型熱的相互作用試験装置。
【請求項４】
ガラス製容器の内外に熱電対を配置すると共に、テーパ型ノズルに高温型圧力計を取り付けた圧力計測手段を外容器に分散配置した請求項１乃至３のいずれかに記載のエントラップ型熱的相互作用試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エントラップ型の熱的相互作用を解明するための試験装置に関し、更に詳しく述べると、低温液体を収容しているガラス製容器を高温液体中で破損させ、高温液体中に低温液体が取り込まれた際に発生する圧力や温度変化などを計測するための試験装置に関するものである。この試験技術は、特に限定されるものではないが、例えばＦＣＩ（燃料／冷却材熱的相互作用）試験などに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉において発生頻度は無視しうるほど極めて低いが結果が重大であると想定される事象として、仮想的炉心崩壊事故がある。仮想的炉心崩壊事故においては、溶融燃料と冷却材が直接接触し、溶融燃料の熱量が冷却材に急激に伝わることによって燃料／冷却材の熱的な相互作用（ＦＣＩ：Ｆｕｅｌ−Ｃｏｏｌａｎｔ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）が発生する。このとき発生する急激な蒸気圧力は、周辺の構造物等への機械的負荷となり、同時に発生する蒸気泡は炉心反応度や出力に影響を与える可能性がある。このようにＦＣＩは、仮想的炉心崩壊事故の様々な局面で重要となる現象であり、従来においては溶融燃料が冷却材中に落下・侵入する状況でのＦＣＩを実験的に解明するための試験技術が開発され、炉心安全解析コードの開発・検証に活用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
炉心安全解析コードの信頼性を向上させるためには、実機条件下で予測される様々な状況でのＦＣＩを実験的に解明し、各種の試験データを集積することが必要である。つまり、原子炉の仮想的炉心崩壊事故において、溶融燃料の内部に冷却材が取り込まれる状況が生じた場合の圧力挙動及び物質の運動を実験的に解明するための試験を行う必要がある。
【０００４】
そのためには、高温液体中に低温液体が取り込まれる際の接触形態を一定に制御でき、また接触形態を自由に変化できるような試験装置が必要である。更に、発生する圧力や温度変化を精度よく計測できることも重要である。しかし、このようなエントラップ型ＦＣＩ試験を精度よく、確実に行える装置は未だ開発されていない。
【０００５】
本発明の目的は、高温液体中に低温液体が取り込まれる際の接触形態を一定に制御でき、その時の両液体の温度及び量を精度よく設定できるエントラップ型熱的相互作用試験装置を提供することである。本発明の他の目的は、高温液体中に低温液体が取り込まれることに伴って発生する圧力及び温度変化を精度よく計測できるエントラップ型熱的相互作用試験装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱装置により加熱可能で高温液体を収容する外容器と、該外容器の内底部に設けた突起物と、外容器の内部上方に位置して冷却装置により冷却可能で底部が破断可能な金属箔からなる内容器と、該内容器内に収容可能で且つ底部の金属箔を破断することで内容器外に出ることが可能で低温液体を収容するガラス製容器と、該ガラス製容器の駆動機構と、各所に配設した温度・圧力計測手段とを具備し、前記駆動機構でガラス製容器を降下させ突起物に衝突させて割ることによって低温液体を高温液体中に放出させるようにしたことを特徴とするエントラップ型熱的相互作用試験装置である。
【０００７】
ここでガラス製容器の駆動機構を速度可変式とし、その駆動棒の下端にガラス製容器が接続される構成が好ましい。これによって、内容器内での位置調整の際には低速で移動し、ガラス製容器を突起物に衝突させる場合には高速で降下させることができる。また、ガラス製容器として平底タイプの理化学用フラスコを用い、その底面及び側面に格子状に傷を付けておき、衝突の際に瞬時に細かく割れるようにするのが好ましい。
【０００８】
ガラス製容器の内外に熱電対を配置すると共に、テーパ型ノズルに高温型圧力計を取り付けた圧力計測手段を外容器に分散配置する。これによって、高温液体中に低温液体が取り込まれることに伴って発生する圧力及び温度変化を精度よく計測することができる。
【０００９】
【実施例】
図１は本発明に係るエントラップ型熱的相互作用試験装置の一実施例を示す全体構成図である。試験容器は、外容器１０とその内部上方に位置する内容器１２との２重構造をなしている。外容器１０は上部フランジ１４で塞がれており、内容器１２は該上部フランジ１４から吊り下げられている。これらは例えばステンレス鋼等からなる。
【００１０】
外容器１０は、下方部外周に電気ヒータなどからなる加熱装置（図示せず）を具備し、高温液体（低融点金属等）１６を収容するものであって、高温液体１６を所定の温度に加熱・保持可能となっている。該外容器１０の内底部中央には、後述するガラス製容器が衝突して破壊するための突起物１８が上向きに突設されている。ここでは突起物１８の先端位置（高さ）を調整可能とする。また、外容器１０には、該外容器１０内のカバーガス圧力を開放させるためのラプチャーディスク（破裂板）装置２０が設けられると共に、高温液体の酸化防止用として不活性ガス（カバーガス）供給ライン（図示するを省略）を設ける。
【００１１】
内容器１２は、筒状体の底部を容易に破断可能な金属箔（例えばアルミニウム箔）２２で閉塞した構造である。該内容器１２内には、低温液体（水等）２４が入るガラス製容器２６が収容され、冷却装置により冷却可能になっている。ここで冷却装置は、冷却用空気の供給配管３０と、該供給配管３０に接続し上部フランジ１４を貫通してガラス製容器２６の底部近傍まで挿入された供給ノズル３２と、上部フランジ１４を通って暖まった空気を排出する排気配管３４、及びそれらの配管に設けたバルブ３６，３８などからなり、ガラス製容器２６内の低温液体２４を冷却空気によって一定温度に冷却・保持する。ここで内容器１２底部の金属箔２２は、ガラス製容器２６の降下によって容易に破断でき、且つ下方の高温液体１６からの熱を遮蔽すると共に、冷却空気の漏れを防止するために用いられている。
【００１２】
ガラス製容器２６は、ここでは平底タイプの理化学用フラスコであって、その底面及び側面に予め格子状に傷を付けておき、衝突の際に瞬時に細かく割れるようにしてある。このガラス製容器２６は、上部フランジ１４を貫通している駆動棒４０の下部に取付治具４２によって固定され、該駆動棒４０は、試験容器の上方に位置する駆動機構本体４４から上部フランジ１４を貫通するように吊り下げられている。このような駆動機構４６によって、ガラス製容器２６が試験容器内を昇降自在となっている。なお、この実施例では駆動機構４６は速度可変式である。
【００１３】
また、試験容器の各所には温度・圧力計測手段（熱電対、圧力計、歪みゲージ）を配設する。熱電対は、外容器壁、高温液体内、ガラス製容器の低温液体内、カバーガス内、及び圧力計重圧部の間近に配置される。圧力計５０は、高温液体内及びカバーガス内の圧力計測手段として、外容器１０にテーパ型ノズル５２を用いて配置される。ここでは、高温液体の領域に２箇所、カバーガスの領域に２箇所、高さを違えて設置してある。テーパ型ノズル５２は、外容器取り付け側が拡開した形状であり、先端部に高温型圧力計が取り付けられる。歪みゲージは、外容器の胴部に取り付けられる。符号５４は、ガラス製容器２６の低温液体２４内に挿入された熱電対である。
【００１４】
試験に際しては、予め所定の低温液体２４を入れたガラス製容器２６を駆動機構４６の駆動棒４０下部に取付治具４２で固定し、内容器１２内に設置する。他方、外容器１０には所定の高温液体（常温状態）１６を充填しておく。外容器１０の高温液体１６は加熱装置（電気ヒータ）により加熱して所定の温度で保持する。ガラス製容器２６内の所定量の低温液体２４は冷却装置（冷却空気の内容器１２への供給）により冷却されて所定の温度で保持される。
【００１５】
温度条件が整った時点で、駆動機構４６によりガラス製容器２６を降下させて高温液体１６中に挿入し、突起物１８に衝突させて破損させる。これによって、図２のＡに示すように、低温液体２４は高温液体１６中に瞬間的に放出する。このように、ガラス製容器２６を突起物１８に衝突させて割ることによって低温液体２４を高温液体１６中に瞬時に放出させる点が、本発明の特徴である。
【００１６】
高温液体１６中に低温液体２４が取り込まれると、エントラップ型熱的相互作用により大きな圧力が発生する（図２のＢ参照）。その際に発生する圧力及び液体の温度変化を計測し、液体の飛散状況を求める。また、圧力発生に伴う容器の歪みを歪みゲージで計測する。
【００１７】
一般にガラスは急激な温度変化により割れる性質を持っているが、熱膨張率が小さく強度が高い理化学用フラスコを使用すると、３００℃以上の温度差が生じた条件下においても試験実施が可能となる。従って、例えば、４００℃の高温液体中に６０℃の低温液体を放出させるような温度条件でも、フラスコは高温液体に入り込んだだけでは割れず、突起物に衝突してはじめて割れるために、確実に試験を行うことができる。
【００１８】
試験の精度を高めるためには、低温液体２４が高温液体１６中に取り込まれるときの接触形態、両液体の接触時の温度及び量を正確に設定することが重要である。本実施例では、そのために次のような様々な工夫が施されている。例えば、
・試験容器を外容器１０と内容器１２との２重構造として加熱部と冷却部を分けたこと、
・冷却部の内容器下端部は、加熱部と断熱し且つ容易に連通できるように金属箔（アルミニウム箔）２２で閉塞したこと、
・試験容器内外に熱電対を配置したこと、特にガラス製容器２６の内外部に熱電対を配置することで初期温度条件、高温液体中に放出される瞬間、移行する過程の温度計測を可能としたこと、
・速度可変式の駆動機構４６を採用したこと、
・突起物１８の高さを調整可能としたこと、
・テーパ状ノズル５２に圧力計５０を取り付ける方式としたこと、
などである。
【００１９】
本実施例では、速度可変式の駆動機構４６を採用することによって、ガラス製容器２６の位置調整及び高温液体１６中への挿入時の低温液体の温度変化を防いでいる。外容器１０では高温液体１６を生成するために下部を加熱装置（電気ヒータ）で加熱している。そのため、外容器１０は、上部が低く下部が高い軸方向の温度分布が生じる。そこで、ガラス製容器２６の位置を内容器１２の中で上下することにより、内部の低温液体２４の温度を調整することができる（この時には冷却を停止する）。駆動機構４６の動作速度を遅くすることで、ガラス製容器２６の位置の微調整が容易に行えるようになる。また、駆動機構４６の動作速度を速くすることで、ガラス製容器２６内の低温液体２４の温度が上昇しない内に高温液体１６中に放出できる。例えば、４００℃の高温液体中に６０℃の低温液体を放出させるような温度条件では、ガラス製容器２６の下降速度が遅いと、熱伝導により低温液体２４の温度が上昇してしまい、初期条件（設定条件）が変わってしまう。しかし、高速にして降下させることで、その影響を無視できる程度に小さくできる。それが可能なように、本実施例では低速モードと高速モードに切り替えることができるような速度可変式の駆動機構となっている。
【００２０】
エントラップ型熱的相互作用において圧力発生に大きく影響するのは、低温液体と高温液体の接触時の温度及び量、低温液体が高温液体中に取り込まれる接触形態である。温度及び量は、上記のようにして制御できる。接触形態を一定にするために、フラスコの底面及び側面に格子状に傷を付けておき、衝突の際に瞬時に細かく割れるようにすることで、フラスコが割れた瞬間に低温液体の全量を高温液体中に放出させるようにしている。また、突起物先端の高さを変え、低温液体が高温液体に接触する位置を変えることにより、熱的な相互作用現象の変化を調べることができるようになっている。例えば、高温液体の深い位置で低温液体を放出すると、接触する時間が長くなることで低温液体の多くが蒸発し、更に高温液体に加熱されて高い圧力の発生が予想される。他方、高温液体の液面上に低温液体を放出すると、接触部に蒸気膜が形成されて比較的穏やかに低温液体が蒸発していくことが予想される。このような接触形態の変化を突起物の高さ調整で行うことができる。
【００２１】
更に、圧力計５０をテーパ状ノズル５２に取り付ける方式としたことで、温度変化の影響を受け難くなり、影響を受けた時期が判明できる。また、ノズル内のガス溜まりを防ぐことができ、液体の排出も容易となる。
【００２２】
実施例に示す装置を用いて試験を行った結果について、以下に説明する。製作した試験容器はステンレス鋼製であり、直径１４０ｍｍ×高さ５００ｍｍである。高温液体の充填部は直径１４０ｍｍ×高さ１４０ｍｍである。ガラス製容器として５０ｍｌの平底タイプの理化学用フラスコを用いた。
【００２３】
低融点金属（ビスマス、錫、インジウム）の高温融体（２０００ｍｌ、２００〜４００℃）中に、理化学用フラスコに入れた水（５〜４０ｍｌ、６０℃）を放出する試験を行った結果、精度よく、確実に実施できた。その際、液体の接触形態、温度、量を明確に規定できた。
【００２４】
また、テーパ状ノズルを用いた圧力計、及びフラスコ内外に設けた熱電対により、高温液体と低温液体が接触することに伴って発生する圧力及び温度変化を精度よく計測することができた。
【００２５】
このようなエントラップ型熱的相互作用試験装置は、
・原子炉の仮想的炉心崩壊事故時において、溶融炉心物質の内部に冷却材が取り込まれる状況が生じた場合の圧力挙動及び物質の運動を実験的に解明するための試験の他、
・高温の液体と低温の液体（蒸気化する物質）が壁で隔てられている体系の機器などを対象として、壁の破損により高圧側の低温液体が高温液体に注入される場合の圧力挙動及び物質の運動を実験的に解明するための試験、
・高温の液体中に低温の液体（蒸気化する物質）が圧力差や慣性力によりジェット状または塊状に注入される場合の圧力挙動を実験的に解明するための試験、
・火山における溶岩内への水の浸入時の影響解明のための模擬試験、
などに利用できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は上記のように、ガラス製容器を突起物に衝突させて割ることによって低温液体を高温液体中に放出させるエントラップ型熱的相互作用試験装置であるから、高温液体中に低温液体が取り込まれる際の接触形態を一定に設定でき、その時の両液体の温度及び量を精度よく設定できる。また、高温液体中に低温液体が取り込まれることに伴って発生する圧力及び温度変化を精度よく計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエントラップ型熱的相互作用試験装置の一実施例を示す全体構成図。
【図２】その低温液体放出開始時と圧力形成の状態を示す説明図。
【符号の説明】
１０  外容器
１２  内容器
１６  高温液体
１８  突起物
２２  金属箔
２４  低温液体
２６  ガラス製容器
４０  駆動棒
４４  駆動機構本体
４６  駆動機構
【図１】
2005030874.tif 000003
【図２】
2005030874.tif 000004