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 平成2３年度中性子イメージング専門研究会 神戸大学大学院 工学研究科

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1 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 平成2３年度中性子イメージング専門研究会 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）

2 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．

3 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．
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 ⊿PG ⊿PL logG 逸走　 ③ ② ① 沸騰開始点 Section2 Section1 Section3 冷却水流路における 沸騰モデル 沸騰に至る現象． 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．

4 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 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． 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． Cooled CCD Camera Neutron beam Converter Mirror Lens Visible-Rays Test section 中性子ラジオグラフィ撮像システム概略図

5 実験装置 実験施設：ビーム実験孔 B4 1. pump 2. flow rate mater 3. test section 4.
６ ７ P 1. pump 2. flow rate mater 3. test section 4. AC electrical source 5. differential pressure transducer 6.7. TC for inlet and outlet temperature 8. heat exchanger 9. 10. 11. 12. pressure gauges pressurize bomb １ ２ ３ ４ ５ TC ８ pressurise tank heater ９ １０ １１ １２

6 試験部 内径5[mm] 直管， σ= 10.92，σ=36.4[mm] 内径３[mm] 直管 入口温度 ４０℃
実験条件 試験部　 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 　（スリット 2[mm]）　 1ピクセル当り　60 曲率付き試験部 直管試験部 Observation area 40 60 ビームラインの関係で垂直になっていますが質量流速の速さから重力の影響は考えていません 60 Flow direction 80 40

7 可視化実験 オフセット：オブジェクトによる散乱 暗電流 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
S:輝度，G:ゲイン，μ:中性子の減衰率， ρ:密度，δ:水の厚さ，α:ボイド率，O：オフセット Water オフセット：オブジェクトによる散乱 　　　　　　　暗電流 Stainless tube Neutron beam Grid Test section Camera Converter

8 真影法 グリッド ボロン 2mm間隔

9 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．
　：二相流での輝度　　：非沸騰状態での輝度 　：ボイド率　　：非沸騰時の水厚み　　　：水密度　　　：水の減衰係数 気相厚さを求める ボイド率を求める

10 ボイド率計測結果 G=5500 G=7500 G=4500 G=5900 G=3700 G=5200 G=3500 G=5000
5mm　　　=10.92 5mm =36.3 Q=2.4*10 Q=1.5*10 G=7500 G=5900 G=5200 G=5000 G=5500 G=4500 G=3700 G=3500

11 ボイド率計測結果 Q=5.9*10 Q=1.5*10 Q=1.7*10 Q=8.5*10 Q=2.4*10 Q=1.4*10
5mm　　　=10.92 5mm =36.3 G=2100 G=2100 Q=5.9*10 Q=1.7*10 Q=2.4*10 Q=1.5*10 Q=8.5*10 Q=1.4*10

12 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．
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．

13 5mm直管 10Hz18Hz28Hz 1200A1400A1600A

14 5mm10.92 8Hz14Hz20Hz 1500A1800A2000A

15 5mm36.3 8Hz12Hz16Hz 1700A1850A

16 実験結果 圧力損失極小点 流路内径3 [mm]試験部 圧力損失の極小点が 現れる前に限界熱流束に至った． 流路内径5 [mm]試験部
Dh=3mm 圧力損失極小点 流路内径3 [mm]試験部 圧力損失の極小点が 現れる前に限界熱流束に至った． Dh=5mm 流路内径5 [mm]試験部 流路内径5 [mm]試験部は矩形と同じで圧力損失の極小点を越えてから限界熱流束に至った． 圧力損失の極小点を 越えてから限界熱流束に至った．

17 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 発熱分布によらず入口サブクール度ごとにほぼ一致 Dh=3[mm]
ターゲットの限界熱流束は陽子ビームの強度分布は問題とならず，ビーム全体の出力に依存すると考えられる． Dh=3[mm] Dh=5[mm]