原子炉内で溶けた燃料が大量の微小な液滴に分裂 その現象を3次元で可視化する~燃料デブリが形成される過程の解明に向けて~

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2025-03-21 日本原子力研究開発機構,筑波大学

日本原子力研究開発機構(JAEA)と筑波大学の研究チームは、原子炉の過酷事故時に溶融した燃料が浅い水プールに落下する際、大量の微小な液滴に分裂する現象を3次元で可視化する手法を開発しました。この手法により、各液滴の大きさや速度を高精度に計測でき、燃料デブリ形成過程の解明に寄与します。実験の結果、液滴の発生は、二つの液体の速度差や遠心力による「サーフィンパターン」、および重力による「液膜破断パターン」が影響していることが明らかになりました。この成果は、福島第一原子力発電所の廃炉作業や原子炉の安全性向上に貢献することが期待されます。

<関連情報>

浅いプール内の壁面衝突噴流の渦状流における微粒化機構
Atomization mechanisms in the vortex-like flow of a wall-impinging jet in a shallow pool

Naoki Horiguchi (堀口直樹);Hiroyuki Yoshida (吉田啓之);Akiko Kaneko (金子暁子);Yutaka Abe (阿部豊)
Physics of Fluids  Published:March 10 2025
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0253743

原子炉内で溶けた燃料が大量の微小な液滴に分裂 その現象を3次元で可視化する~燃料デブリが形成される過程の解明に向けて~

This study aimed to reveal the atomization mechanisms in the vortex-like flow of a wall-impinging jet in a shallow pool of a liquid–liquid system, focusing on droplet formation as an elementary process of atomization. To quantitatively investigate these mechanisms, we applied quantification methods to three-dimensional interfacial data obtained by a previous experimental study using three-dimensional laser-induced fluorescence with index matching. Detailed observations of the spreading behavior of droplets and vortex-like flow, along with quantitative estimations, found out that the vortex-like flow is the dominant source of droplets on the atomization. Furthermore, investigations into the forces acting on the vortex-like flow found out the formation and collapse processes of the vortex-like flow. The accelerations of the normal forces can be represented by superficial centrifugal acceleration and gravitational acceleration. Our next analysis focused on investigating droplet formation as the elementary process of atomization. The results showed two droplet formation patterns: liquid-film breaking patterns, wherein droplets directly form from the liquid film, and the surfing pattern, wherein droplets form from interfacial waves on the liquid film. Subsequently, the droplet data, grouped using dimensionless numbers, were compared with theoretical lines describing the different droplet formation mechanisms. This comparison revealed the mechanisms of droplet formation within the vortex-like flow.

2000原子力放射線一般
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