研究用原子炉のサイフォン ブレーカー実験とシミュレーションに関する研究

ヨルダンの研究と訓練リアクター (JRTR) キジャン研究炉 (KJRR) などの平板状燃料を使用して原子炉の数が最近増加しています。プレート型燃料を簡単に接続するためには、研究用原子炉は、コア下降流を必要とします。研究用原子炉では、一次冷却系の正味の正吸引頭を必要とするので、いくつかの冷却システムのコンポーネントは原子炉の下インストール潜在的でした。ただし、以下の原子炉の一次冷却装置のパイプ破断が発生すると、サイフォン効果は原子炉の空気への暴露につながる冷却水の連続的な排水を引き起こします。これは余熱できない削除し、重大な事故につながる可能性があることを意味します。したがって、冷却事故 (ロカ) 紛失は、重大な事故を防ぐことができる安全装置が必要です。サイフォンのブレーカーは、そのような安全装置です。それは、空気の流入を使用して排水を効果的に防ぐことができます。全体のシステムは、システムを破壊するサイフォンと呼ばれます。

研究炉の安全性の向上のためのいくつかの研究が行われています。マクドナルドとテン¹は、積極的に営業のブレーカーとしてバルブを壊すサイフォンの性能を確認するために実験を行った。ニールとステファン²は、小型のパイプで受動的操作デバイスとしてサイフォンのブレーカーを使用して、実験を行った。櫻井³は、完全独立した空気水フロー モデルを適用した速報サイフォンを分析するための解析モデルを提案しました。

速報サイフォンは、考慮する必要があります多くのパラメーターがあるので非常に複雑です。さらに、実規模の研究用原子炉の実験が行われないために、現代的な研究用原子炉に先行研究を適用する困難です。したがって、以前の研究は、サイフォンを壊すため満足な理論モデルを提示していません。このため、理論的なモデルを確立する実大実験を行った。

浦項科学技術 (POSTECH)、韓国原子力研究所 (えり)^{4,5 大学によって行われた実規模検証実験研究用原子炉にサイフォン ブレーカーの影響を調べるためには、 ,6}。図 1は、サイフォン ブレーカー実験のため実際の施設です。施設の概略図を図 2に示し、施設マークが含まれています。

図 1。実証実験を壊すサイフォン施設。主配管サイズは 16 で、観察用アクリル ウィンドウがインストールされています。オリフィスは圧力損失を記述するための仕組みも用意です。したがって、上部タンクの下部にオリフィス アセンブリ部分があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2。実験施設の概略図。測定ポイントの場所が表示されます。数字には、これらの関連する場所。サイフォン ブレーカーの入り口は 0 を返してポイント、ポイント 1 水レベルを示します、サイフォン ブレーカーとメイン配管との接続部分を意味する 2 ポイントおよびポイント 3 を意味する、LOCA を配置します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

サイフォン ブレーカーの実験施設は上部タンク、下部タンク、配管システム、およびリターン ポンプから成っています。上のタンクの容量は 57.6 m³です。下部エリアと深さは、それぞれ 14.4 m² (4 m × 3.6 m) と 4 m。下部タンクとロカの位置は、上部タンクの下に位置する 8.3 m です。下のタンクの容量は 70 m³です。下部のタンクは、実験中に水を格納する使用されます。下部のタンクは、リターン ポンプに接続されます。下のタンクの水は、上部のタンクに注入されます。配管システムの主配管サイズは、16 です。サイフォン ブレーカー ライン (SBL) の最後は下段のパイプの上に位置する 11.6 m ポイントを破裂します。さらに、図 1に示すように、アクリル窓は可視化用のパイプにインストールされます。

いくつかのデバイスは、物理的な信号を測定するインストールされました。2 つの絶対圧力トランスデューサー (ピンズ) および 3 つの差動圧力トランスデューサー (Dpt) 使用されました。水の質量流量を測定するには、超音波流量計は使用されました。データ集録システムは、時間間隔 250 ms ですべての計測データを取得に使用されました。測定機器に加えて観測用カメラを設置、定規の水のレベルをチェックする、上部タンクの内壁についた。

実験では、様々 なロカとサイフォン ブレーカー (SB) サイズ、サイフォンのブレーカーの種類 (線/穴) と原子炉の燃料とパイプ破断点に関するオリフィスの存在を考えられていた。ロカと SBL のサイズ、ロカと SBL の様々 なサイズの効果を検証するために使用されました。16 で 2 〜 6 の SBL サイズで 6 〜 ロカ サイズ。実験では、サイフォン ブレーカーの線と穴の種類は、使用されたが、本研究の次のコンテンツのみを考慮して JRTR と KJRR で使用される SBL 型。実験結果の例としては、図 3は、圧力と水、流量データを含むグラフは。2013 年 10 月 4 日に実験を行った、実験データのサンプルは LN23 (ライン型 SB、ないオリフィス ロカ、SBL の 2.5 の 12)。

実験データからサイフォン現象を予測できる理論が設立されました。理論モデルはベルヌーイの式から始まります。流体の速度はベルヌーイの式から得られるし、体積流量はパイプ領域による流体の速度を乗算することによって取得できます。さらに、水のレベルは、体積流量を使用して取得できます。理論的なモデルの基本的なコンセプトは上記。ただし、サイフォン現象は二相流なので考慮すべき追加点があります。二相流解析モデルを検討するには、, 精度評価実験を行った.チザム モデルの均質なモデルよりもより正確な頃、チザム モデル現象を分析するため。チザム社のモデルによると二相乗算式は方程式 1⁷として表されます。この方程式で ф 二相の乗数を表します、ρ は密度を表す、X は品質を表します。

(1)

さらに、シミュレーション プログラムのグラフィック ユーザー インターフェイス (GUI) が開発されました。図 3に絶対圧データの移行による現象は 3 つの段階に分けることができます: クーラント (単相流)、サイフォン速報 (二相流)、および定常状態の損失。したがって、アルゴリズムの主な計算プロセスには、実際の現象の 3 つの段階に対応する 3 つの手順が含まれます。計算過程を含むシミュレーション プロセスを記述する全体のアルゴリズムは図 4⁸に表示されます。

ソフトウェアを使用して (ビデオの補足 1参照) シミュレーションを開始するには、ユーザーが入力した設計条件に対応する入力パラメーターと入力パラメーターは固定値として格納されます。ユーザーは、パラメーターを入力後シミュレーションを続行、プログラムは最初のステップの計算を実行します。最初のステップは、サイフォン効果によりクーラントのパイプ破断後の損失計算は、単相の計算です。変数 (ベルヌーイの式、質量流量保存、等) のように理論的なモデルによって自動的に計算し、計算を実行して、ユーザーによって入力されたパラメーターから。計算結果は、ユーザーの指定した時間単位によるとコンピューターのメモリに順次格納されます。

場合は水位下がる位置 0 に、それは空気がこの瞬間、SBL に突入だすのでを単相流れを終了することを意味します。したがって、単相流の最初のステップは、水レベル 0 の位置に到達するまで続行されます。水のレベルは、0 の位置には、場合、undershooting の高さはゼロ。Undershooting の高さは、サイフォンの中断の後、SBL の入り口、上部タンクの水位の高低差です。つまり、高さのクロスモダル速報サイフォンの中にどのくらい水位が減少したことを示します。したがって、undershooting の高さは冷却材喪失量の直接定量法が許可されるため、重要なパラメーターであります。その結果、プログラムは、undershooting の高さによると最初のステップの計算の終わりを決定します。

Undershooting の高さが 0 より大きい場合、プログラムは二相流をシミュレートすることができます 2 番目のステップの計算を実行します。ステージを壊すサイフォンで水と空気の流れがあるために、両流体の物性を考慮されなければなりません。そのため、二相の乗数、品質、およびボイド率の値はこの計算手順でと見なされます。特別に、ボイド率の値は、終了 2 番目のステップの計算の基準として使用されます。空隙率は、空気の合計に空気の流れと水の流れの比率として表現できます。ボイド率 (α) 値が 0.9 以上になるまで、2 番目のステップの計算が行われます。Α が 0.9 以上と、3 番目のステップ計算を実行して定常状態を表します。Α はサイフォンを破る終了基準に理論的には、この時点でパイプ内の空気だけが存在するために 1 を =。しかし、このプログラムを壊すサイフォンの終了条件は α = 0.9 計算プロセスに任意のエラーを回避します。したがって、結果の部分的な損失は避けられないが、このエラーは無視することができます。

定常計算は、ユーザーによって設定された時間中に行われます。以上、変更は、定常状態の特徴として、計算結果の値は、常に一定。サイフォンの破壊に成功した場合、上部タンクの水の最後のレベル特定の値は、ゼロではないのままになります。しかし、サイフォン速報が正常に実行されない場合、クーラントがほとんど失われる、水の最終的なレベル値がゼロに近づきます。したがって、定常状態における水位値 0 の場合、指定された設計条件がサイフォンの破壊を完了するのに十分ではないことを示します。

計算後、ユーザーはさまざまな方法で結果を確認できます。結果は、サイフォンを破り、進行状況、および特異性を壊すサイフォンのステータスを表示します。シミュレーション プログラムは、予測し現象を現実的に分析し、サイフォン ブレーカー システムの設計を支援できます。この紙、実験プロトコル、実験とシミュレーション プログラムのアプリケーションの結果が掲載されています。

1。 実験手順 ^{4 , 5 , 6}

1. 準備ステップ
   1. 実験施設を確認します。テスト マトリックスをもとに、慎重にテスト マトリックス テスト条件、LOCA サイズ、SBL サイズ、サイフォン ブレーカーの種類、実験前にオリフィスの有無などを確認します。また、テスト データのノイズや誤動作することがなく計測および施設のコンポーネントが適切に動作することを確認する
   。
   2. 下部タンクの内部にインストール リターン ポンプを使用して水で上部タンクを入力します
   。
   3. は、SBL 内の残留空気を削除します。SBL から残留空気を削除する真空ポンプとバッファーを使用します
   。
   4. は、上部タンクの初期水位を確認します。タンクに接続されている定規を使用します
   。
2. テスト ステップ
   1. 配管システムの終わりにバルブを開きます
   。
   2. サイフォン破壊現象の中に水位、流量、圧力の変化などの測定データをチェック制御室のデータ集録システムを使用しています。冷却水の流出が存在しない場合、最初の実験は終了します。最後に、特定のテスト条件で得られた実験結果を記録します
   。
3. テストの変数 (SBL サイズ、LOCA サイズ、オリフィスのプレゼンス、およびロカ位置) を次のように変更します。
   1. 変更 SBL のサイズを 2、2.5、3、4、5、および 6 に引き続いて; 指定された SBL が位置第 2 図 2 フランジ継手による主なパイプに接続されています
      。 注: SBL、LOCA サイズ、オリフィスの存在など、実験の変数は、ボルトとナットでフランジ継手を使用して変更されます。したがって、これらのプロセスは手動で実施します
   。
   2. 1.1.1 - 1.2.2 すべて SBL サイズ実験が行われるまでの手順を繰り返します
   。
   3. 位置 1、ロカとは、6、8、10、12、14、16 インチに引き続いてロカ サイズを変更; 指定された減速機は 図 2 の位置 3 にフランジ継手による主な管に接続されています
   。
   4. 1.1.1 - 1.3.2 すべてロカ サイズ実験が行われるまでの手順を繰り返します
   。
   5. オリフィス (または削除、オリフィス) 上部タンクの下部フランジ継手によるメインのパイプに接続されているインストールします
      。 注: 前の手順の実験はオリフィスの不在 (有無) によって運ばれてきた。したがって、オリフィス必要がありますをインストール (または削除) 次の実験のため。
      1. にこの作業を行うには、上部タンクの中の水がないことを確保します
      。
   6. 1.1.1 - 1.3.4 の手順を繰り返します。オリフィスの存在 (か不在) 下 SBL とロカのサイズの効果を確認するには、前の手順を繰り返します
   。
   7. は、ロカの位置 1 を前の手順の実験を行ったと位置は 2 にロカを変更します。次の実験のロカの位置を変更します
      。 注: 実験のセットアップでは、2 つのロカ位置が構築されます。分離バタフライ バルブ各ロカ パイプは、主配管システムに接続されます。
      1. ロカの位置を変更するロカ位置 1 分離バタフライ弁を閉じるし、ロカ位置 2 のバルブを開く
      。
   8. 手順 1.1.1 - 1.3.6
   。

2。シミュレーション プログラムを実行する

1. サイフォン ブレーカー シミュレーション プログラムを実行するプログラムのアイコンをクリックします
   。 メモ: 手順については 補足のビデオ 1 で説明します。示すように、シミュレーション プログラムの初期画面は 4 つのボタン (表示パラメーター、実行、マニュアル、および終了) で構成されます。ユーザーがクリックすると、' パラメーターを表示 ' ボタン、新しいコマンド ウィンドウが開き、パラメーターのリストが含まれています。ユーザーは変更し、変数の数値を確認することができます。' 実行 ' ボタンが含まれている式に入力パラメーターを代入して計算を実行します。' マニュアル ' ボタンは、使用状況とプログラムのバージョンを通知するため、' 出口 ' プログラムを終了するボタン。結果に示すように、' 結果の表示 ' windows
。
2. をクリックして、" をパラメーター " ボタン
。
3. 指定したシミュレーション条件を考慮した入力データを変更します
。
4. をクリックして、" を実行 " ボタン
。
5. 水位グラフの形状を確認してください、' 結果の表示 ' ウィンドウ。プログラムは、時間と、結果の値を整理し、自動的にグラフがプロットします。
   1. グラフの形状、サイフォンの破壊の可能性を視覚的に確認した; 速報サイフォンは与えられた条件の下で可能な水位または高さのクロスモダル最後まで同じ値を常にある場合。 図 3 を参照してください
   。
6. その他の出力をチェックイン、' 結果の表示 ' ウィンドウ。(水位、クロスモダル高さ、圧力、水の速度、風速、気液混合物の速度、数量、および摩擦) 出力をチェックする 8 つのオプションがあることに注意してください。チェック ボックスを使用してグラフの種類を選択します
   。 注: 時間のそれぞれの値の変更は、グラフを見ることができるので、一目でサイフォンの破壊現象を把握する簡単だ
。
7. をクリックして時間によって出力の特定の値を確認、" 特定の時間で計算する " ボタン。希望の時間を入力し、設定した時間に従って結果をチェックします
。
8. をクリックしてすべてのシミュレーション結果データを保存、" データを保存 " ボタン
   。 注: 結果は、テキスト ファイルの形式で保存され、シミュレートされた条件は一緒に保存されます
。

速報サイフォンの全体のプロセスは、3 つの段階で構成されます。最初の段階は、サイフォン効果により冷却材の流出です。第二段階は、サイフォンの破壊と呼ばれる、冷却剤の損失をブロックする SBL の空気の流入を開始するプロセスです。サイフォン破壊現象は、図 3の絶対圧の急激な増加として見なすことができます。絶対圧が急速に増加し後、水位低下によりそれが徐々 に減少します。サイフォン上部のタンクに戻っていくつかの残留水の流れ以来を破り、末の絶対圧は再び増加します。サイフォンの破壊を完了すると、冷却水のもれはありませんし、この状態は「定常状態」と呼ばれます。さらに、状態の変更は、絶対圧力が一定も維持されます。最初の段階で高い値で維持された流量は開始を壊すサイフォンとして徐々 に減少します。速報サイフォンは、正常に完了すると、クーラント漏れが徐々 に減少、停止ビデオ 1に示すように。図3 差圧は、サイフォン速報開始後着実に増加傾向を示した。

サイフォン ブレーカーの不在でパイプ破断が発生すると、サイフォン効果によりすべてのクーラントのリークが発生します。サイフォン ブレーカーの不在を説明する実験は、ビデオ 2 (XN; サイフォン ブレーカーがない場合) に表示されます。その一方で、ビデオ 3 (LN; ライン型サイフォン ブレーカー) とビデオ 4 (HN; 穴型サイフォン ブレーカー)、サイフォン ブレーカーが効果的に冷却剤の損失を防止することを示しています。両方のケースでは、ある水位以下クーラントが漏れていないことを確認しました。その結果、サイフォン ブレーカーが冷却剤の損失を防ぐために実行可能なデバイスをできることがわかった。

また、実験結果からは、チザム係数、設計条件との関係を定義することが可能だった。最初は、実験条件を反映するように圧力損失係数の微調整のプロセスを行った。圧力損失係数を調整した後、チザム係数 B は試行錯誤による推論されました。空気と水の質量流量は、チザム係数 B の値を設定するときに考慮すべきので、質量流量を定量的に評価する基準が必要でした。この基準は、空気流量率係数と水の質量流量を使用して派生しました。C 因子と呼ばれる基準でチザム係数 B. との関係を調べるため提案 C 係数の式は、式 2によって与えられるし、空気流量の率係数は式 39,10によって与えられます。次の式では、 ρは密度を表すし、K02位置 0 と 2 の位置の圧力損失係数を表します。密度と式3 桁 '2' が一定するので、それらを除去できます。したがって、空気流量率係数の簡易型は式 2で F 因子をいいます。水の質量流量を評価もする必要があります。ロカのサイズが増加し、それにつれて、地域も同時に増加します。したがって、異なるロカ サイズと質量流量は、単位面積あたりの質量流量を取得するエリアで分けられます。ここでは、質量流量値は、パイプに空気が入る直前に計算されます。

(2)

(3)

チザム係数 B と C の係数との関係を見つけるには、回帰分析を使用しました。その結果、相関式 (指数と二次関数) の 2 型を派生させることができる、R2値れ 0.93 (指数関数) 0.97 (2 次関数)。各関数は式 4と式 59として与えられます。式 4で 12 など、LOCA のサイズが比較的大きいとロカのサイズで 16 のも予測できた。その一方で、式 5の 8 などロカ サイズ 10、LOCA の比較的小さいサイズのためによく予測することだったしたがって、ロカ、11 より大きいのサイズが比較的大きいため予測する指数関数を使用され、二次関数を使用するのに 11 より小さい。

(4)

(5)

つまり、設計条件から派生させてチザム係数 B サイフォン現象の予測が可能な理論的モデルの構築が有効です。したがって、理論モデルを含むシミュレーション プログラムの開発は、現象を分析し、サイフォン ブレーカーの設計の参考になります。

シミュレーションと実験結果を比較したグラフを図 5に示します。グラフを考慮したシミュレーション プログラムは、実大実験の結果を予測できます。Undershooting の高さの結果だけでなくシミュレーション プログラムから得られたフロー データ パターンを実験的に得られたものに類似した示します。図 6は、ロカのサイズで 12 とで 16 時間対流率グラフです。ただし、実験とシミュレーションの初めにいくつかの違いがあります。実際には、初期段階で実験気流速度評価はビデオの可視化に基づき、実験の流量データが 5 低い水位を計算することによって得られた s。このメソッドは、超音波流量計がない流量を正確に測定の流れが完全に開発される前にので別の方法をだった。実験とシミュレーションの結果の違いは、この点に起因すると表示されます。最初のフェーズを除いて実験値に類似していた模擬流量とプログラム ロカのサイズに応じて傾向を正確に予測しました。

図 3。結果。測定した変数には、水位、流量、圧力、高さのクロスモダルが含まれます。結果の中で圧力と流量の率データが掲載されています。圧力の変化を考慮した現象は 3 つのセクションに大別します。クーラント、サイフォン速報および定常状態の損失。圧e は、クーラント部損失の変化が若干変更されたセクションを壊すサイフォンで急増しています。また、圧力は、安定状態では変わりません。また、流量は徐々 にサイフォンの破壊による減少に見られることができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4。シミュレーション プログラムのアルゴリズム。9理論モデルを適用するアルゴリズムを開発します。実際の現象を反映するためで、アルゴリズムのメインの計算プロセスは、3 つの段階から成っていた。設計条件を表す入力パラメーターを指定すると、特定の条件の各段階は自動的に計算されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5。有効性の推定します。シミュレーション結果の精度を評価するには、高さのクロスモダルは実験結果と比較されます。シミュレーション実験を合理的に一致していた.つまり、シミュレーション プログラムは、サイフォンを壊すの分析のための良好なパフォーマンスを持っています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 6。フロー率グラフ。シミュレーション (Sim) の流量は、実験 (Exp) 値に似ていた。シミュレーション速度量は比較的正確に計算でき、模擬 undershooting の高さと水位の値は実験値に似ています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

ビデオ 1。成功したサイフォン (ロカ) を壊します。このビデオはサイフォン ブレーカーを使った実験。ロカ位置にバタフライ弁を開くと、クーラントが漏れます。ただし、クーラント漏れは徐々 に減少し、サイフォン ブレーカーにより停止しました。つまり、このビデオは、サイフォンのブレーカーは、冷却材の漏洩を防ぐことができますを示しています。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

ビデオ 2。サイフォン ブレーカー (XN) の不在。サイフォン ブレーカーがない場合は、冷却水は、流れ続けるし、最後に、上部タンクの水のレベルがゼロになります。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

動画 3.ライン型サイフォン ブレーカー (LN).サイフォン ブレーカーは効果的に冷却剤の損失を防ぐことができます。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

動画 4.穴型サイフォン ブレーカー (HN).サイフォン ブレーカーは効果的に冷却剤の損失を防ぐことができます。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

補足動画 1.シミュレーション プログラムを実行します。シミュレーション プログラムの初期画面が 4 ボタン (パラメーター、実行、マニュアル、および出口の表示) で構成されています。ユーザーは、パラメーターを表示] ボタンをクリックすると、新しいコマンド ウィンドウが開き、パラメーターのリストが含まれています。ユーザーは変更し、変数の数値を確認することができます。'実行' ボタンは、含まれている式に入力パラメーターを置き換えることによって、計算を行います。使用法、プログラムのバージョンを通知するためのボタン 'マニュアル' であり '出口' は、プログラムを終了するボタン。結果は、「結果の表示」ウィンドウに表示されます。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

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