原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

流量拡張性に優れ苛酷環境に適用する電磁流量計に関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

１．１　研究の背景

　ナトリウム冷却高速炉においては、電磁流量計を配管の外側に設置してナトリウム流量を計測することが一般的である。しかし、高速炉実用化にあたって、プラント出力規模が大きくなり、ナトリウム流量が多くなると様々な課題を抱えることになる。例えば、高速増殖炉サイクルの実用化開発で検討されているループ型大型高速炉（JSFR）では配管に磁性鋼を用いるため電磁流量計を設置できず、配管以外の非磁性鋼に設置できる電磁流量計が必要となってきている。また、大流量のナトリウム実流校正は校正設備に非常にコストがかかるという本質的な課題がある。タンク型高速炉では、1次系に配管が無く、さらに温度・放射線環境が厳しいため、通常タイプの電磁流量計の設置が困難であるという課題があった。

１．２　研究の狙い

　上記の課題を克服することを狙いとして、本研究では一般的な配管での流量計測ではなく、中間熱交換器（IHX）とポンプの合体機器や電磁ポンプにある環状のナトリウム流路部に着目し、その環状流路のナトリウム流量を複数の電磁流量計（セグメント分割）で計測するという新しい概念を創出した。図1にその1セグメント分の電磁流量計の概念図を示す。環状流路の外側ダクト部に Ｍ 型 の耐熱・耐放射線性電磁石と1対の電極を設置し、フレミングの法則によりナトリウムの流速に応じて発生する起電力を計測するという方式である。
　本研究では、上記概念を元に、ループ型炉であるJSFRやタンク型炉である4S(Super-Safe, Small and Simple)の環状流路部のナトリウム流量を計測するために、セグメントで分かれていることで流量拡張性に優れかつ、大規模な実流校正が不要であり、ナトリウム冷却炉の高温・高放射線環境下で使用可能な電磁流量計を開発することを目的とする。

２．研究開発成果

　本研究は平成20年度から3ヵ年の計画で進める予定であり、2年目の平成21年度は電磁流量計の特性解析、Ｎａ試験体の詳細設計・試作、ナトリウム試験ループの設計・製作、ナトリウム試験計画の詳細検討を行った。以下にその研究開発成果を示す。

２．１　電磁流量計設計

(1)３次元電磁流体解析による特性解析評価

　セグメント流量計は、単一セグメント流量計で実流校正を行うことで、大規模な実流校正試験を不要とできることが期待できる。その概念成立性の解析検討として、単一セグメント流量計の誤差要因が出力電圧に与える影響を解析評価した。
　具体的には、実流校正誤差要因として、①誘導電流の影響、②電磁石の磁石磁場の影響、③電磁力の流速への影響、④周端壁の流速への影響　の４項目を抽出し、解析によって出力電圧に与える影響を評価した。その結果、①については、隣同士の電磁石の極性を異極性とすることで、隣同士の電磁石の誘導電流の影響を低減させることが可能であることが分った。②については、実機実流校正試験においては実機電磁石を用いることで誤差を低減できることが分った。③については、FBR実用炉のIHX-EMP*1合体機器やIHX-MP*2合体機器のような大流量低相互作用係数*3 の体系においては流速分布の影響は僅少であるが、４S のように低流量高相互作用係数の場合には、電磁力による流速分布の影響が大きいことから実機セグメント流量計そのものによって実流校正を行うことが望ましいことが分った。④については流速分布を考慮した出力電圧補正を行う誤差低減対策が有効であることが分った。図２に誤差低減対策適用前後の誤差の比較を示す。
　*1 IHX:Intermediate Heat eXchanger 中間熱交換器　EMP:Electromagnetic Pump　電磁ポンプ　*2 MP： Mechanical Pump　機械ポンプ　*3 相互作用係数：電磁力と流体慣性力の比であり、例えば１より大きい場合は、流体慣性力よりも電磁力の影響が大きくなり、電磁力が流れ場に大きく影響を与えるようになる。

２．２　電磁流量計試験体の基本設計・試作

(1)電磁流量計試験体設計・試作

　電磁流量計試験体として、全周360°にNaが流れる試験体Aと60°の部分のみにNaが流れる試験体Bの２種類の試験体の詳細設計・試作を行い、共に外ダクト径約800mm高さ約2000mmの試験体を試作した。図３にそれぞれ試験体A、Bの構造図を、図４に試験体A,Bの外観を示す。

(2)電磁流量計試験用ループの設計・施工

　電磁流量計試験用ループの設計・施工を行い、1)で試作した２種類の試験体を東芝Na試験設備に設置した。試験体Aについては電磁流量計Na試験ループを介して東芝Naループ設備への配管接続を行った。

(3)Na実流試験を行うための電磁流量計試験体の予測解析

　工場で取得した磁場測定結果を元に、電磁流量計試験体のNa試験における出力電圧特性の予測解析評価を行った。具体的には、約1.3m³/minのNa流量条件において試験体Aが約4mV、試験体Bが約25mV程度の出力電圧となる予測結果となった。図５にそれぞれ試験体A,Bの予想出力電圧特性を示す。試験体Bは試験体Aと比べて流路面積が１／６となり、約６倍の流速となるため、出力電圧も試験体Aよりも大きくなっている。

(4）試験体計測システムの検討

　電磁流量計は、電磁場の影響で部分的な流速分布が生じることが考えられる。その流速分布を知るためには、超音波流量計を用いて部分的な流速を計測する必要がある。水流動試験により超音波伝播時間変化によって流速の変化の計測が可能である事を確認した。図６に水試験結果例を示す。常温用センサではあるが10mmと狭いGAPにおける局所流速計測の基本的成立性の確認ができた。また、電磁流量計試験体への取付方法、取外手順の検討を行った。

２．３　電磁流量計試験体のナトリウム試験

　平成21年度に実施した３次元電磁流体解析による特性解析評価を元に、Na試験条件に同極・異極の励磁方法の追加や、Na試験設備の最大流量条件の見直しを行った。見直した条件を元に試験要領書を作成し、電磁流量計の流量依存性、温度依存性、セグメント流量計成立性評価、周方向流速分布評価への電磁力の影響確認等の試験項目を具体化した。

３．今後の展望

　平成22年度上期には、電磁流量計試験体（7月に360°全周モデル試験体A、9月に60°セクターモデル試験体B）のNa試験を行い基本特性データを取得した。図７にNa温度355℃時の取得データ例を示す。なお、60°セクターモデルでの試験においては超音波による局所流速のデータも取得できた。現在、得られたNa試験データの分析評価及び電磁流体解析による詳細特性評価を実施中である。また、実機適用にあたっての課題抽出等を実施しており、JSFRや4S実機への適用性検討を実施中である。

４．参考文献

(1)三井久安,他,電気学論A,117巻8号(1996).

(2)T. Shimizu, et al., A Numerical Study on Faraday-Type Electromagnetic Flow-meter simulation in Liquid Metal System, (I) A Numerical Method Based on Magnetic Field and Electric Potential Field :FALCON Code, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.37, No.12, pp1038-1048(2000).

(3)T. Shimizu, et al., Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.38, No.1, pp19-29(2001)