日本國立研究開發法人原子能研究開發機構等組成的研究團隊通過模擬實驗發現，當核反應堆傷害事故中熔化的燃料落入淺水池時，部分燃料可能分裂為大量微小液滴，並有涉及離心力與重力參與的兩種模式。研究團隊表示，通過理解液滴凝固所產生的燃料碎片的形成過程，將能夠為東京電力福島第一核電站廢爐作業中的最重要課題——燃料碎片的取出做出貢獻。
在約3厘米深的硅油中，從內徑約5毫米的噴嘴中滴落甘油水溶液0.2秒後拍攝到的情況。紫紅色表示產生的眾多液滴（供圖：原子能研究開發機構）
在2011年東日本大地震引發的海嘯中受災的福島第一核電站，由於堆芯受損導致核反應堆內的燃料熔落至安全殼底部。儘管也存在底部曾有淺水蔓延的可能性，但關於熔融燃料落下後的擴散方式所知甚少。在遇水冷卻凝固的過程中，估計會成大量液滴或大塊凝固物等情形。東京電力在2024年11月及今年4月試提取了燃料碎片，儘管已觀察到顆粒狀物質，但整體情況並不清楚。
原子能研究開發機構原子能基礎工學研究中心的堀口直樹研究員（流體工學）等人，考慮能否使用模擬熔融燃料和水池的兩種液體，再現熔融燃料落入淺水底的情形。在2018年左右，研究團隊在實驗室中再現了微小液滴大量生成的現象，並通過薄膜狀雷射照射對添加螢光染料的液體截面進行了拍攝，但未能獲得三維數據。此外，受當時使用的兩種液體光線折射情況不同的影響，斷面圖像不清晰。
使用2018年左右開發的方法實施了觀察從噴嘴噴出液體的實驗。通過薄膜狀雷射獲得了發光的斷面圖像，但未能控制光的折射等問題（供圖：原子能研究開發機構）
堀口研究員等人為獲取清晰的三維數據，將模擬熔融燃料和水池的兩種液體的折射率調整為了一致，同時在實驗裝置中整合了一種通過改進反射鏡和透鏡、可沿前後方向連續拍攝截面圖像的機械。
筑波大學系統資訊系金子曉子教授（混相流工程學）研究室的實驗裝置（位於茨城縣筑波市）
福島第一核電站事故中熔融燃料從多大的裂縫中落下以及底部積水的準確深度目前尚未掌握。實驗中，研究人員在從內徑5毫米的噴嘴向裝有深度約3厘米硅油的水槽中滴入甘油水溶液，並對水溶液的擴散方式進行了約1秒的拍攝。將拍攝的斷面圖像轉化為三維數據後，發現生成了大量獨立的顆粒（液滴）。
再現實驗中0.5秒內觀察到的液滴及其擴散軌跡。黑色實線表示從噴嘴流出的甘油水溶液液麪平均高度（供圖：原子能研究開發機構）
研究團隊通過圖像追蹤液滴的生成過程，發現存在渦流中離心力使微小波浪隆起，波峰處因兩種液體速度差導致液滴被剝離的「表面波動模式」，以及觸底液體捲起形成渦流，其尖端因重力脫離形成液滴的「液麪斷裂模式」。
通過離心力與兩種液體速度差生成液滴的「表面波動模式」（左）以及通過重力生成液滴的「液膜斷裂模式」（供圖：原子能研究開發機構）
堆芯傷害事故中熔化的燃料在細碎分裂後，經冷卻凝固直至形成燃料碎片過程中的一種路徑已被闡明。儘管有待針對實際事故中燃料落下的量、速度及熔落處水深等設想條件逐一進行再現，但該成果將為廢爐作業中燃料碎片取出工作提供參考，也有望為提升反應堆的安全做出貢獻。
本研究由原子能研究開發機構與筑波大學合作進行，相關成果已發表在專業期刊《Physics of Fluids》電子版的3月10日刊上。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【相關超連結】
日本原子能研究開發機構新聞稿 核反應堆內熔化的燃料分裂為大量微小液滴現象的三維視覺化
【論文資訊】
期刊：Physics of Fluids
論文：Atomization Mechanisms in the Vortex-like Flow of a Wall-impinging Jet in a Shallow Pool
DOI：10.1063/5.0253743
