Particle-based simulation of heat transfer behavior in EAGLE ID1 in-pile test

EAGLE ID1炉内試験における熱伝達挙動の粒子法シミュレーション

守田 幸路*; 小川 竜聖*; 時岡 大海*; Liu, X.*; Liu, W.*; 神山 健司  

Morita, Koji*; Ogawa, Ryusei*; Tokioka, Hiromi*; Liu, X.*; Liu, W.*; Kamiyama, Kenji

EAGLE炉内ID1試験は日本原子力研究開発機構によって実施され、FAIDUSと称される内部ダクト付き燃料集合体からの早期燃料流出を模擬したものである。試験で生じた早期ダクト破損は、燃料とスティールから構成される溶融プールからの高い熱流束によるものと解釈されている。試験後の分析からは、壁面に燃料クラストが形成されない状況において、高い熱伝導度を有するプール中の溶融スティールによって溶融プールからダクトへの伝熱が効果的に促進されたことが示唆されている。本研究では、多成分多相流の粒子法に基づいた完全ラグランジェ法を用いて溶融プールからダクト壁への熱伝達機構を分析した。プール中の溶融スティールと燃料の混合と分離挙動およびこれらの挙動がプールからダクトへの伝熱に与える影響を調べるため、燃料ピンの崩壊、溶融プールの形成およびダクト壁の破損に至る一連の挙動を模擬した。現在の2次元粒子法シミュレーションでは、10MW/mを超える壁面への大きな熱負荷は、核発熱を伴う液体燃料が壁面へ直接接触することによるものであることが示された。

The EAGLE in-pile ID1 test has been performed by Japan Atomic Energy Agency to demonstrate early fuel discharge from a fuel subassembly with an inner duct structure, which is named FAIDUS. It was deduced that early duct wall failure observed in the test was initiated by high heat flux from the molten pool of fuel and steel mixture. The posttest analyses suggest that molten pool-to-duct wall heat transfer might be enhanced effectively by the molten steel with large thermal conductivity in the pool without the presence of fuel crust on the duct wall. In this study, mechanisms of heat transfer from the molten pool to the duct wall was analyzed using a fully Lagrangian approach based on the finite volume particle method for multi-component, multi-phase flows. A series of pin disruption, molten pool formation and duct wall failure behaviors was simulated to investigate mixing and separation behavior of molten steel and fuel in the pool, and their effect on molten pool-to-duct wall heat transfer. The present 2D particle-based simulations demonstrated that large thermal load beyond 10 MW/m on the duct wall was caused by effective heat transfer due to direct contact of liquid fuel with nuclear heat to the duct wall.