『原子力機構の研究開発成果2020-21』P.33
図2-4 超音波による液膜測定技術の概要
（a）圧電素子から発信された超音波は固体壁 ︲ 液膜界面と液膜表面で反射して圧電素子で受信されます。（b）受信された信号の時間差 Δt と音速を用いることで液膜厚さを測定できます。
図2-5 開発した液膜測定装置による液膜測定時の受信波形
線は測定波形、 線は予測波形を表します。（a）は厚さ0.132 mm の液膜、（b）は厚さ 0.036 mm の液膜の測定結果です。測定波形と予測波形は良好に一致し、0.1 mm 以下の液膜に対しても高い精度で測定できることを確認しました。
軽水炉において、何らかの原因で炉心熱出力の急激な上昇等が起こると、燃料被覆管表面を覆う液膜からの蒸発量が急激に増加することで、液膜が枯渇し、表面が露出することがあります。これをドライアウトと呼びます。これにより、燃料被覆管表面温度が一時的に上昇するものの、出力の低下等により再び液膜で覆われます。この再び濡れる挙動をリウェットと呼び、燃料の健全性確保の観点から重要な現象となります。燃料被覆管表面上の液膜挙動を知ることは、ドライアウト及びリウェット挙動を知ることにつながります。これまでの実験研究では、被覆管表面温度を計測することで、液膜の有無を検知していたものの、液膜厚さ等の挙動を詳細に研究した例はありません。実際の軽水炉（実機）内の流体は高温高圧であり、ドライアウト及びリウェット時の液膜厚さは 0.1 mm 以下になると考えられており、そのような条件で、液膜厚さ等を高精度に測定する技術がありませんでした。そこで本研究では、流体と接触しないで測定できる手法として、超音波を用いた高精度液膜測定技術の開発を目指しています。
液膜測定技術開発の方針として、まず 0.1 mm 以下の液膜を高精度に測定することを目標としました。超音波による液膜測定では、図 2-4（a）に示すように、圧電素子を固体壁に設置し、設置面と反対側に存在する液膜に向けて超音波を発信し、固体 – 液膜界面と液膜表面で反射する二つの波形（A0 と A1）の時間差と音速に基づいて液膜厚さを求めます（図 2-4（b））。液膜が薄くなるほど両信号の時間差が短くなるため、高周波かつ高減衰の超音波波形が求められ、ここが最大の開発要素でした。本研究では、従来技術より 10 倍程度周波数が高く、単パルスに近い超音波を発信・伝送させる装置を開発しました。図 2-5 は、開発した装置を用いて、液膜厚さを測定した際の受信波形を示します。振幅が大きくなる箇所（図 2-5 中の破線の枠で囲まれた部分）が二つ確認でき、これが先に示した、固体 – 液膜界面と液膜表面での反射波に相当します。この二つの波形の区別が明確であるほど、精度の高い計測になります。一方で、さらに薄い液膜を測定する場合、図 2-5（b）に示すように、二つの波形が重なることが考えられます。そこで受信波形を予測し、測定波形とよく一致する波形を代用して、液膜厚さを予測する手法を開発しました。図 2-5 の測定波形と予測波形が、よく一致することが確認できます。現在のところ、低温低圧条件での液膜測定を実現した段階ですが、今後は高温条件に耐えられる圧電素子を用いることで、実機条件での液膜測定を可能とする技術開発を進めていきます。（和田 裕貴）
●参考文献
Wada, Y. et al., Ultrasound Measurement of Upward Liquid Film Flow in Vertical Pipe, Proceedings of 18th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-18), Portland, U.S.A., 2019, p.4518–4531, in USB Flash Drive.
