平成23年度中性子イメージング専門研究会
中性子ラジオグラフィーによる
サブクール沸騰のボイド率計測
神戸大学大学院
工学研究科
混相熱流体工学研究室
○田中 龍太, 加藤 良, 竹中 信幸
斎藤 泰司(京都大)
研究背景
中性子は物質科学,生命科学など先端的科学研究を推進する上で
不可欠なプローブであり中性子ラジオグラフィー等にも用いられている.
加速器で数GeV程度に加速させた陽子線をターゲットに照射し,
核破砕(スポレーション)反応をおこして中性子を発生させることが出来る.
冷却水
陽子線
ロッドターゲット
核破砕反応による高密度の発熱により,固体ターゲット冷却水流路では
バーンアウトが起き,ターゲットの破壊を招く可能性がある.
研究背景
単流路における沸騰二相流の圧力損失線図
log⊿P
冷却水流路における
⊿PG
⊿PL
沸騰モデル
①
沸騰開始点
③ 逸走
②
Section1
Section2
Section3
logG
固体ターゲットの安全限界を考える上で限界熱流束に加えて
圧力損失の極小点について考慮する必要がある.
中性子ラジオグラフィによる可視化計測実験
中性子ラジオグラフィーシステム
従来の実験結果から
・内径3mm5mmの試験部でのバーン
アウト発生点が違う
・発熱分布によるバーンアウト発生点
への影響がほとんどない
ということが分かっている.
その流動様式を調べるために中性子ラ
ジオグラフィーシステムを用いてボイド率
計測を行った.
物体を構成する元素の放射線
透過率の差異により,物体また
は物体内部の状態を透過画像
として観察する手法.
Converter
Neutron beam
Mirror
Test section
Lens
Visible-Rays
Cooled CCD Camera
中性子ラジオグラフィ撮像システム概略図
実験装置
実験施設:ビーム実験孔 B4
1. pump
8.
2. flow rate mater
9.
3. test section
10.
4. AC electrical source
11.
5. differential pressure transducer
12.
6.7.TC for inlet and outlet temperature
heat exchanger
pressurise tank
heater
pressure gauges
pressurize bomb
11
P
P
6
TC
4
3
10
5
TC
7
8
2
1
9
12
実験条件
内径5[mm] 直管, σ= 10.92,σ=36.4[mm]
内径3[mm] 直管
入口温度
40℃
露光時間
110[sec] (原子炉出力1MW時)
L/D
2000 (スリット 2[mm])
1ピクセル当り 60 [ m]
試験部
曲率付き試験部
40
Observation area
直管試験部
60
60
Flow direction
40
80
可視化実験
中性子ラジオグラフィーによる可視化
内径5 [mm]
σ=36.4[mm]
直管
S0  G exp water water   O
S  G exp 1   water water  O
S:輝度,G:ゲイン,μ:中性子の減衰率,
Water
Stainless
tube
ρ:密度,δ:水の厚さ,α:ボイド率,O:オフセット
オフセット:オブジェクトによる散乱
暗電流
Test
section
Grid
Converter
Camera
Neutron beam
真影法
グリッド
ボロン
2mm間隔
I ( x , y )  S ( x, y ) 
S ( x, y  y)  S ( x, y  y)
2
非沸騰状態と沸騰状態の試験部の画像より気相厚さを求めることができる.
t L x, y  
 I x, y  
1

ln
 L  mL  I L x, y  
I :二相流での輝度 I L:非沸騰状態での輝度
:ボイド率 t L:非沸騰時の水厚み  L:水密度  mL:水の減衰係数
気相厚さを求める

2r
0
t L x, y dr   t L ( x, y )
ボイド率を求める
t L  r
2
t
L
r
( x, y)
2

ボイド率計測結果
5mm
 =10.92
5mm
Q=1.5*10  W / m 2 
Q=2.4*10  W / m 
6
 =36.3
6
2
0.4
0.3
0.3
void fraction
void fraction
0.4
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
50
60
70
80
axial distance[mm]
90
100
2
G=7500 [kg / m s]
2
G=5900 [kg / m s]
2
G=5200 [kg / m s]
2
[
kg
/
m
s]
G=5000
80
90
100
axial distance[mm]
G=5500
G=4500
G=3700
G=3500
110
[kg / m 2 s]
[kg / m 2 s]
[kg / m 2 s]
[kg / m 2 s]
ボイド率計測結果
5mm
 =10.92
5mm
2
G=2100 [kg / m s]
2
G=2100 [kg / m s]
0.2
void fraction
0.2
void fraction
 =36.3
0.1
0.1
0
0
50
60
70
80
axial distance[mm]
90
100
Q=5.9*10  W / m 2 
Q=1.7*10 6  W / m 2 
Q=2.4*10 6  W / m 2 
5
80
90
100
axial distance[mm]
110
Q=1.5*10  W / m
5
2
Q=8.5*10  W / m
6
2
Q=1.4*10  W / m
6
2
Q=1.5*10  W / m
5
2




まとめ
加速器固体ターゲットの
冷却水流路の流動様式の解明を目的として,
中性子ラジオグラフィーによる
サブクール沸騰におけるボイド率の計測を行った.
バーンアウト直前のボイド率の増加を計測することができた.
発熱分布による沸騰の違いを確認できた.
5mm直管
10Hz18Hz28Hz
0.2
void fraction
0.4
0.1
0.3
0.1
0.2
0.05
0.1
0
80
90
100
110
120
130
140
0
80
90
100
110
120
0
80
90
100
110
120
90
100
110
120
axicial distance [mm]
1200A1400A1600A
0.1
0.2
0.1
0.08
0.08
0.06
0.06
0.1
0.04
0.04
0.02
0.02
0
80
90
100
110
120
0
80
90
100
110
120
0
80
5mm10.92
8Hz14Hz20Hz
0.3
0.15
0.1
0.2
0.1
0.05
0.1
0.05
0
50
60
70
80
90
100
0
0
50
60
70
80
90
100
50
60
70
80
90
100
1500A1800A2000A
0.06
0.2
0.3
0.04
0.2
0.1
0.02
0
0.1
50
60
70
80
90
100
0
50
60
70
80
90
100
0
50
60
70
80
90
100
5mm36.3
8Hz12Hz16Hz
0.15
0.08
0.06
void fraction
0.06
0.1
0.04
0.04
0.05
0.02
0.02
0
0
80
90
100
0
80
110
90
100
110
1700A1850A
0.1
void fraction
void fraction
0.1
0.05
0.05
0
-0.05
80
90
100
axial distance[mm]
110
0
80
90
axial distance[mm]
100
80
90
100
axial distance[mm]
110
1.1[MW/m 2]
実験結果
圧力損失極小点
流路内径3 [mm]試験部
P[Pa]
Dh=3mm
104
圧力損失の極小点が
ΔP [Pa]
103
G [kg/m 2s]
104
P [Pa]
10
現れる前に限界熱流束に至った.
q=1.1[MW/m 2]
3
2
q=1.1[MW/m10
]3
4
圧力損失の極小点を
P [Pa]
流路内径5 [mm]試験部
10
3
10
Dh=5mm
Blasius correlation
experimental
boiling inception
minimum point
Dh=5[mm]
3
2
10
q=1.1[MW/m
]
G [kg/m 2s]
103
G [kg/m2s]
越えてから限界熱流束に至った.
103
103
G [kg/m 2s]
104
Blasius correlation
experimental
boiling inception
minimum point
critical heat flux
10
2
qc[W/m ]
実験結果
限界熱流束
バーンアウト発生時の試験部全体の平均熱流束
106
発熱分布によらず入口サブクール度ごとにほぼ一致
107
107
Tsub=50[K]
Tsub=60[K]
2
qc[W/m2]
qc[W/m ]
103
106
rectangular uniform
rectangular σ=25.8
circular uniform
circular σ=10.92
circular σ=25.8
circular σ=36.4
circular σ=10.92 0.3MPa
circular σ=25.8 0.3MPa
circular σ=36.4 0.3MPa
106
Dh=3[mm]
103
G[kg/m 2s]
Dh=5[mm]
104
103
104
G[kg/m 2s]
2
G[kg/m s]
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中性子ラジオグラフィによるサブクール沸騰のボイド率測定