(57)【要約】【課題】  発生蒸気による浮力によって水が自然循環する蒸気発生器やＩＭＲの流動過程を把握することができる気液二相流模擬試験装置を提供する。【解決手段】  高温高圧液体を模擬したエタノールＬが内部に貯留された容器３と、容器３内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体５と、高温高圧気体を模擬した六フッ化硫黄ガスを筒体５の内部に供給する気相供給手段１５と、筒体５の側壁部から漏出された六フッ化硫黄ガスがエタノールＬ中を上昇して筒体５の上方に形成される二相流体のボイド率を得る第１ボイド計１３と、第１ボイド計１３から得られたボイド率に基づいて、筒体５の上方に位置するエタノールが上方へと移動する上昇量を算出する上昇量算出手段１１とを備えていることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、
該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、
高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、
前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得る第１ボイド率取得手段と、
該第１ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出する上昇量算出手段と、
を備えていることを特徴とする気液二相流模擬試験装置。
【請求項２】
前記筒体の下方から、該筒体の外側に前記模擬液体を供給する模擬液体供給手段を備え、
前記模擬液体供給手段は、前記上昇量算出手段の算出結果に基づいて、前記模擬液体を供給することを特徴とする請求項１に記載の気液二相流模擬試験装置。
【請求項３】
前記筒体の外周囲のボイド率を取得する第２ボイド率取得手段と、
該第２ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて模擬伝熱量を演算し、該模擬伝熱量に基づいて次時刻に発生する模擬蒸気発生量に相当する模擬気体量を算出する伝熱演算部と、
該伝熱演算部によって算出された模擬気体量を前記模擬気体供給手段によって供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の気液二相流模擬試験装置。
【請求項４】
高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、
該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、
高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、を備え、
前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得て、
該ボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出することを特徴とする気液二相流模擬試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水の沸騰状態を模擬する気液二相流模擬試験装置および気液二相流模擬試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）に用いられる蒸気発生器や、一体型モジュラー軽水炉（以下「ＩＭＲ」という。；Integrated Modular Reactor）では、高温高圧条件下にて沸騰熱伝達が行われる。この現象は、水と水蒸気からなる気液二相流の複雑な流動状態を示し、その流動特性を把握することは、高温高圧という条件のため一般に困難である。
これを克服するために、常温低圧において高温高圧条件の水および水蒸気と同等の物性値を有するアルコールおよび六フッ化硫黄ガスを用い、実験室レベルで試験を行い得る試験装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８９０９６号公報（段落［００２６］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された試験装置は、あくまでも沸騰熱伝達時の二相流の流動現象を模擬するものであり、上述の蒸気発生器やＩＭＲのように、沸騰により発生した蒸気の浮力によって水が自然循環する過程を模擬できる構成とはなっていない。したがって、現実に即した蒸気発生器やＩＭＲの流動過程を把握することができない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発生蒸気気泡による浮力によって水が自然循環する蒸気発生器やＩＭＲの流動過程を把握することができる気液二相流模擬試験装置および気液二相流模擬試験方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の気液二相流模擬試験装置および気液二相流模擬試験方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる気液二相流模擬試験装置は、高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得る第１ボイド率取得手段と、該第１ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出する上昇量算出手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
高温高圧条件における液体（水など）および気体（水蒸気など）の物性値に対して低温低圧にて物性値が近似する模擬液体および模擬気体を用いて、低温低圧での模擬試験を可能にする。模擬液体としては、例えば、エタノールやメタノール等のアルコールが挙げられる。模擬気体としては、例えば、六フッ化硫黄ガスが挙げられる。
ここで、高温とは、１００℃以上の温度を意味する。また、高圧とは、絶対圧で１ＭＰａ以上の圧力を意味する。また、低温とは、高温に対して低い温度を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる温度であり、例えば０〜１００℃未満である。また、低圧とは、高圧に対して低い圧力を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる圧力であり、例えば絶対圧で１ＭＰａ未満である。
高温高圧流体と模擬流体との物性値が近似するとは、沸騰現象を支配する物性値が近似することを意味し、例えば、密度（ｋｇ／ｍ３）、粘性係数（Ｐａ・ｓ）、表面張力（Ｎ／ｍ）といった物性値が近似することを意味する。
本発明では、模擬気体供給手段によって筒体の内部に模擬気体が供給され、筒体の側壁部から模擬気体が漏出する。漏出した模擬気体は、筒体の外周側に位置する模擬液体中を上昇し、筒体の上方へと向かう。筒体の上方では、模擬気体の浮力及び圧力の減少によって、この位置における模擬液体には、上昇する駆動力が与えられる（いわゆるガスリフトポンプ現象ないしフラッシング現象）。この模擬液体の上昇量は、上昇量算出手段により、第１ボイド率取得手段によって得られる筒体の上方位置のボイド率に基づいて得られる。
なお、ボイド率に加えて、気泡径取得手段によってさらに気泡径を得るようにしても良い。これにより、模擬液体の上昇量をさらに正確に得ることができる。ボイド率、気泡径の計測結果から相変化を伴う場における気泡の成長を予想し、それに伴う液体の上昇流量を、二相流モデル（ドリフトフラックスモデルなど）を用いて求めることができる。
このように、低温低圧条件にて模擬液体の上昇量を得ることができるので、例えば、ＩＭＲ（一体型モジュラー軽水炉）や、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）に用いられる蒸気発生器における水の自然循環現象を模擬することができる。
なお、第１ボイド率取得手段及び気泡径取得手段としては、筒体の上方を直接測定するボイド計（例えば二針式光ファイバ型ボイドセンサ）を用いることが好ましいが、これに限らず、筒体の中間高さ位置に設けたボイド計によって上方位置のボイド率を推定する構成としても良い。
【０００８】
さらに、本発明の気液二相流模擬試験装置は、前記筒体の下方から、該筒体の外側に前記模擬液体を供給する模擬液体供給手段を備え、前記模擬液体供給手段は、前記上昇量算出手段の算出結果に基づいて、前記模擬液体を供給することを特徴とする。
【０００９】
上昇量に相当する模擬液体を筒体の下方から供給することにより、液体の自然循環を模擬することができる。これにより、例えはＩＭＲや蒸気発生器の水の自然循環を模擬することができる。
【００１０】
さらに、本発明の気液二相流模擬試験装置は、前記筒体の外周囲のボイド率を取得する第２ボイド率取得手段と、該第２ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて模擬伝熱量を演算し、該模擬伝熱量に基づいて次時刻に発生する模擬蒸気発生量に相当する模擬気体量を算出する伝熱演算部と、該伝熱演算部によって算出された模擬気体量を前記模擬気体供給手段によって供給することを特徴とする。
【００１１】
各時刻の模擬気体量を算出して筒体の内部に供給することにより、動的な核反応運転を模擬することができる。
【００１２】
また、本発明の気液二相流模擬試験方法は、高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、を備え、前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得て、該ボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出することを特徴とする。
【００１３】
高温高圧条件における液体（水など）および気体（水蒸気など）の物性値に対して低温低圧にて物性値が近似する模擬液体および模擬気体を用いて、低温低圧での模擬試験を可能にする。模擬液体としては、例えば、エタノールやメタノール等のアルコールが挙げられる。模擬気体としては、例えば、六フッ化硫黄ガスが挙げられる。
ここで、高温とは、１００℃以上の温度を意味する。また、高圧とは、絶対圧で１ＭＰａ以上の圧力を意味する。また、低温とは、高温に対して低い温度を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる温度であり、例えば１００℃未満である。また、低圧とは、高圧に対して低い圧力を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる圧力であり、例えば絶対圧で１ＭＰａ未満である。
高温高圧流体と模擬流体との物性値が近似するとは、沸騰現象を支配する物性値が近似することを意味し、例えば、密度（ｋｇ／ｍ３）、粘性係数（Ｐａ・ｓ）、表面張力（Ｎ／ｍ）といった物性値が近似することを意味する。
本発明では、模擬気体供給手段によって筒体の内部に模擬気体が供給され、筒体の側壁部から模擬気体が漏出する。漏出した模擬気体は、筒体の外周側に位置する模擬液体中を上昇し、筒体の上方へと向かう。筒体の上方では、模擬気体の浮力及び圧力の減少によって、この位置における模擬液体には、上昇する駆動力が与えられる（いわゆるガスリフトポンプ現象）。この模擬液体の上昇量は、筒体の上方位置のボイド率に基づいて得られる。
なお、ボイド率に加えて、気泡径取得手段によってさらに気泡径を得るようにしても良い。これにより、模擬液体の上昇量をさらに正確に得ることができる。ボイド率、気泡径の計測結果から相変化を伴う場における気泡の成長を予想し、それに伴う液体の上昇流量を、二相流モデル（ドリフトフラックスモデルなど）を用いて求めることができる。
このように、低温低圧条件にて模擬液体の上昇量を得ることができるので、例えば、ＩＭＲ（一体型モジュラー軽水炉）や、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）に用いられる蒸気発生器における水の自然循環現象を模擬することができる。
【発明の効果】
【００１４】
ボイド率に基づいて模擬液体の上昇量を算出することとしたので、発生蒸気による浮力によって水が自然循環する蒸気発生器やＩＭＲの流動過程を把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかる気液二相流模擬試験装置（以下、単に「試験装置」という。）１が示されている。この試験装置１は、一体型モジュラー軽水炉（ＩＭＲ）を模擬しており、高温高圧条件下における沸騰現象を低温低圧条件下にて模擬するものである。
【００１６】
試験装置１は、エタノール（模擬液体）Ｌが内部に貯留された容器３と、この容器３内に配置された筒体５とを備えている。
容器３は、外部から観測可能なように、アクリルやガラス等の透明な材料で構成されている。容器３に貯留されるエタノールは、３００℃程度の高温かつ６ＭＰａ程度の高圧の水に対して、３０〜６０℃程度の低温かつ０．５〜１ＭＰａ程度の低圧で同等の物性値（密度、粘性係数、表面張力）を有するものである。なお、エタノールに代えて、メタノール等の他のアルコールを用いることもできる。
容器３の下方には、液相供給手段（模擬液体供給手段）７が接続されている。この液相供給手段７から、容器３内にエタノールＬが供給される。液相供給手段７は、液相流量制御弁９を備えており、この液相流量制御弁９によってその流量が制御される。液相流量制御弁９の開度は、上昇量算出手段１１の出力結果に基づいて制御される。
上昇量算出手段１１は、下方から上昇する気泡（六フッ化硫黄ガス）Ｂの浮力によってアルコールが上昇する量を算出する。上昇量算出手段１１は、筒体５の上方の位置における二相流のボイド率を測定する第１ボイド計（第１ボイド率取得手段）１３を備えている。第１ボイド計１３としては、例えば、二針式光ファイバ型ボイドセンサが用いられる。この二針式光ファイバ型ボイドセンサは、ボイド率だけでなく気泡径を得ることができる。
また、図示しないが、上昇量算出手段１１とは別に、第１ボイド計１３から得られるボイド率に基づいて、筒体５の上方の位置におけるフラッシングを計算するフラッシング計算手段を備えている。
【００１７】
筒体５は、内部に空間を有しており、側壁部は燒結金属やセラミックス等の多孔質体で構成されている。この筒体５は、炉心燃料を模擬している。なお、筒体５は、蒸気発生器を模擬する場合には、１次冷却材が流れる伝熱管に相当する。
筒体５の内部には、筒体５の下部に接続された気相供給手段（模擬気体供給手段）１５から、六フッ化硫黄ガス（模擬気体）が供給される。六フッ化硫黄ガスは、３００℃程度の高温かつ６ＭＰａ程度の高圧の水蒸気に対して、３０〜６０℃程度の低温かつ１ＭＰａ程度の低圧で同等の物性値（密度、粘性係数、表面張力）を有するものである。
筒体５の内部に供給された六フッ化硫黄ガスは、多孔質とされた側壁から外方へと漏出し、気泡Ｂとなり上方へと上昇する。この六フッ化硫黄ガスの漏出量は、模擬する蒸気発生量に相当する。気泡Ｂの発生量は、筒体５の略中間位置に設けられた第２ボイド計（第２ボイド率取得手段）１９によって計測される。第２ボイド計１９としては、例えば、二針式光ファイバ型ボイドセンサが用いられる。この二針式光ファイバ型ボイドセンサは、ボイド率だけでなく気泡径を得ることができる。
【００１８】
気相供給手段１５は、気相流量制御弁１７を備えており、この気相流量制御弁１７によってその流量が制御される。気相流量制御弁１７の開度は、核熱反応プログラム（伝熱演算部）２１の演算結果に基づいて制御される。
核熱反応プログラム２１は、第２ボイド計１９から得られたボイド率から模擬する蒸気発生量を得て、この蒸気発生量から模擬する炉心燃料（筒体５）の反応度を演算する。次に、得られた反応度から、発熱量を演算し、この発熱量に相当する蒸気発生量を演算する。そして、この蒸気発生量に相当する流量の六フッ化硫黄ガスが流れるように、気相流量制御弁１７に指令を送る。
【００１９】
容器３の外側には、複数のビデオカメラ２３が配置されており、模擬する沸騰状態を可視化できるようになっている。
【００２０】
上記構成の試験装置１は、以下のように運転される。
図２のステップＳ１に示すように、気相供給手段１５から六フッ化硫黄ガスを供給し、模擬炉心燃料である筒体５の側壁部から六フッ化硫黄ガスを漏出させる。
次に、ステップＳ２に示すように、第２ボイド計１９によって筒体５の外周のボイド率を計測し、ボイド率に対応した核反応を計算し、反応度を算出する。そして、この反応度の発熱量に相当する六フッ化硫黄ガスの流量を算出し、気相流量制御弁１７の弁開度を制御する。これにより、次時刻の気泡発生量が決定される。
次に、ステップＳ３に示すように、第１ボイド計１３によって計測した筒体５の上方のボイド率に基づいて、上昇量算出手段１１によりエタノール（液体）Ｌの上昇量を算出する。そして、得られた上昇量に対応する弁開度を液相流量制御弁９に指示し、液相供給手段７によって筒体５の下方からエタノールＬを供給する。
上記ステップＳ１〜Ｓ３を繰り返し、各時刻における蒸気発生および水の自然循環を模擬する。
また、上記各ステップに並行して、ビデオカメラ２３により画像を取得する。
【００２１】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
模擬気体である六フッ化硫黄ガスの浮力によって上昇する模擬液体であるエタノールの上昇量を、第１ボイド計１３によって得られる筒体５の上方位置のボイド率及に基づいて、上昇量算出手段１１により得ることができる。また、上昇量に相当する流量を液相供給手段７によって筒体５の下方から供給することとした。したがって、高温高圧条件下での沸騰状態での液相の循環を模擬することができ、一体型モジュラー軽水炉（ＩＭＲ）における水の自然循環を模擬することができる。なお、第１ボイド計１３によって、ボイド率に加えて、さらに気泡径を得るようにしても良い。これにより、液相の上昇量をさらに正確に得ることができる。具体的には、ボイド率、気泡径の計測結果から相変化を伴う場における気泡の成長を予想し、それに伴う液体の上昇流量を、二相流モデル（ドリフトフラックスモデルなど）を用いて求める。
【００２２】
また、第２ボイド計によって得られるボイド率を用いて核反応計算を行うことにより、次時刻の蒸気発生量に相当する六フッ化硫黄ガスを筒体５内に供給することとした。これにより、動的な核反応運転を模擬することができる。
【００２３】
なお、本実施形態では、第１ボイド計１３を用いて筒体の上方のボイド率を直接測定することとしたが、筒体の中間高さ位置に設けた第２ボイド計１９によって上方位置のボイド率を推定する構成としても良い。
【００２４】
また、本実施形態は、図３のように変形しても良い。すなわち、同図に示すように、容器３の側方に、液相の循環流路２５を設ける。循環流路２５は、筒体５の上方の空間と筒体の下方の空間とを接続している。このような構成にすることにより、上方空間における気泡が液相とともに下方へと流れるキャリーアンダーを模擬することができる。
【００２５】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）に用いられる蒸気発生器を模擬した試験装置３０が示されている。
試験装置３０は、容器３２内に、逆Ｕ字状に曲成された伝熱管群を模擬した筒体３４と、この筒体３４を外方から覆うように配置された内筒３６とを備えている。内筒３６の上方には、模擬気水分離器３８と、模擬湿分分離器４０とが設けられている。
【００２６】
試験装置３０の各所には、ボイド計４２およびビデオカメラ２３が設けられている。筒体３４の上方に位置するボイド計４２がエタノールの上昇量を算出する際に用いる第１ボイド率取得手段に相当し、筒体３４の側方に位置するボイド計４２が模擬蒸気発生量を算出する際に用いる第２ボイド率取得手段に相当する。
また、内筒３６内の上下の差圧を計測するための差圧計４４が設けられている。この差圧計４４によって、伝熱管郡内の抵抗（圧力損失）が求められる。
筒体３４の下方には、気相供給手段（模擬気体供給手段）４６が設けられており、これにより六フッ化硫黄ガスが供給される。
容器３２内には模擬液体であるエチルアルコールＬが満たされており、符号Ｌ０は、この液相の液面を示している。
【００２７】
上記構成の試験装置３０により、蒸気発生器の模擬試験が行われる。すなわち、気相供給手段４６から六フッ化硫黄ガスが供給され、筒体３４の側壁部から漏出される。漏出された六フッ化硫黄ガスが高温高圧状態での沸騰状態を模擬し、これをビデオカメラ２３によって撮影する。同時に、ボイド計４２によってボイド率を測定し、流動状態を把握する。
筒体３４から漏出した六フッ化硫黄ガスは、気泡となり上昇し、その浮力によって筒体３４の上方の模擬液体であるエチルアルコールを下方へと押し出す（矢印Ｕ参照）。このエチルアルコールの上昇量については、第１実施形態と同様に、図示しない上昇量算出手段によって得ることができる。
図示しない伝熱演算部では、筒体３４の側方に位置するボイド計４２からボイド率を得て、このボイド率から気泡発生量を算出し、この気泡発生量に相当する発熱量を演算する。そして、気相供給手段４６により、発熱量に応じた次時刻の気相流量を供給する。
【００２８】
本実施形態の試験装置３０によれば、実際の高温高圧条件下での蒸気発生器の沸騰状態を、低温低圧条件下で模擬することができる。
また、適宜設置されたボイド計４２から得られたボイド率に基づいて筒体３４の上方の液相の上昇量を算出することができるので、実際の流動状態を模擬することができる。
また、筒体３４から漏出する気泡発生量から発熱量を演算し、この発熱量に基づいて次時刻の気相流量を制御することとしたので、実際の流動状態を模擬することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる試験装置を示した模式図である。
【図２】試験手順を示したフローチャートである。
【図３】図１の変形例を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる試験装置を示した模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  試験装置（気液二相流体模擬試験装置）
３  容器
５  筒体
７  液相供給手段（模擬液体供給手段）
１１  上昇量算出手段
１３  第１ボイド計（第１ボイド率取得手段）
１５  気相供給手段（模擬気体供給手段）
１９  第２ボイド計（第２ボイド率取得手段）
３０  試験装置（気液二相流体模擬試験装置）
３２  容器
３４  筒体
【図１】
2007171025.tif 000003
【図２】
2007171025.tif 000004
【図３】
2007171025.tif 000005
【図４】
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