日本国立研究开发法人原子能研究开发机构等组成的研究团队通过模拟实验发现，当核反应堆损伤事故中熔化的燃料落入浅水池时，部分燃料可能分裂为大量微小液滴，并有涉及离心力与重力参与的两种模式。研究团队表示，通过理解液滴凝固所产生的燃料碎片的形成过程，将能够为东京电力福岛第一核电站废炉作业中的最重要课题——燃料碎片的取出做出贡献。
在约3厘米深的硅油中，从内径约5毫米的喷嘴中滴落甘油水溶液0.2秒后拍摄到的情况。紫红色表示产生的众多液滴（供图：原子能研究开发机构）
在2011年东日本大地震引发的海啸中受灾的福岛第一核电站，由于堆芯受损导致核反应堆内的燃料熔落至安全壳底部。尽管也存在底部曾有浅水蔓延的可能性，但关于熔融燃料落下后的扩散方式所知甚少。在遇水冷却凝固的过程中，估计会成大量液滴或大块凝固物等情形。东京电力在2024年11月及今年4月试提取了燃料碎片，尽管已观察到颗粒状物质，但整体情况并不清楚。
原子能研究开发机构原子能基础工学研究中心的堀口直树研究员（流体工学）等人，考虑能否使用模拟熔融燃料和水池的两种液体，再现熔融燃料落入浅水底的情形。在2018年左右，研究团队在实验室中再现了微小液滴大量生成的现象，并通过薄膜状激光照射对添加荧光染料的液体截面进行了拍摄，但未能获得三维数据。此外，受当时使用的两种液体光线折射情况不同的影响，断面图像不清晰。
使用2018年左右开发的方法实施了观察从喷嘴喷出液体的实验。通过薄膜状激光获得了发光的断面图像，但未能控制光的折射等问题（供图：原子能研究开发机构）
堀口研究员等人为获取清晰的三维数据，将模拟熔融燃料和水池的两种液体的折射率调整为了一致，同时在实验装置中集成了一种通过改进反射镜和透镜、可沿前后方向连续拍摄截面图像的机械。
筑波大学系统信息系金子晓子教授（混相流工程学）研究室的实验装置（位于茨城县筑波市）
福岛第一核电站事故中熔融燃料从多大的裂缝中落下以及底部积水的准确深度目前尚未掌握。实验中，研究人员在从内径5毫米的喷嘴向装有深度约3厘米硅油的水槽中滴入甘油水溶液，并对水溶液的扩散方式进行了约1秒的拍摄。将拍摄的断面图像转化为三维数据后，发现生成了大量独立的颗粒（液滴）。
再现实验中0.5秒内观察到的液滴及其扩散轨迹。黑色实线表示从喷嘴流出的甘油水溶液液面平均高度（供图：原子能研究开发机构）
研究团队通过图像追踪液滴的生成过程，发现存在涡流中离心力使微小波浪隆起，波峰处因两种液体速度差导致液滴被剥离的“表面波动模式”，以及触底液体卷起形成涡流，其尖端因重力脱离形成液滴的“液面断裂模式”。
通过离心力与两种液体速度差生成液滴的“表面波动模式”（左）以及通过重力生成液滴的“液膜断裂模式”（供图：原子能研究开发机构）
堆芯损伤事故中熔化的燃料在细碎分裂后，经冷却凝固直至形成燃料碎片过程中的一种路径已被阐明。尽管有待针对实际事故中燃料落下的量、速度及熔落处水深等设想条件逐一进行再现，但该成果将为废炉作业中燃料碎片取出工作提供参考，也有望为提升反应堆的安全做出贡献。
本研究由原子能研究开发机构与筑波大学合作进行，相关成果已发表在专业期刊《Physics of Fluids》电子版的3月10日刊上。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
日本原子能研究开发机构新闻稿 核反应堆内熔化的燃料分裂为大量微小液滴现象的三维可视化
【论文信息】
期刊：Physics of Fluids
论文：Atomization Mechanisms in the Vortex-like Flow of a Wall-impinging Jet in a Shallow Pool
DOI：10.1063/5.0253743
