Development of a numerical simulation method for air cooling of fuel debris by JUPITER

JUPITERによる燃料デブリの空冷の数値シミュレーション手法の開発

山下 晋   ; 上澤 伸一郎  ; 小野 綾子 ; 吉田 啓之  

Yamashita, Susumu; Uesawa, Shinichiro; Ono, Ayako; Yoshida, Hiroyuki

乾式での燃料デブリ取り出しにおいて、実機での燃料デブリの詳細な空冷評価が重要である。多孔質体として仮定されるPCV内部の燃料デブリ周囲の熱伝達を機構論的に理解するために、多相多成分CFDコードであるJUPITERに多孔質体モデルを新たに導入した。多孔質体モデルに関して、JUPITERと親和性の高いDarcy-Brinkmanモデルを採用した。このモデルはJUPITERに採用されている多相流解析手法の一つである1流体モデルと同様に、流体相と多孔質体相を一つの方程式で同時に解くことができる。また、非線形性が卓越する高速度の自然対流場については、非線形効果として速度の2乗の項を支配方程式に加えることで対応した。導入したモデルの妥当性を確認するために、例えば、矩形多孔質体領域内の自然体流解析や多孔質体を含む自然体流熱伝達試験といった単純な妥当性確認解析と実験解析を行った。検証解析の結果、先行研究の結果と実験解析の結果と良い一致を示した。また、改良されたJUPITERの応用として、1F2号機の条件を考慮したPCV内部の燃料デブリの空冷予備解析を行った。その結果、燃料デブリ周囲の温度場や速度場は、非物理的挙動を示すことなく安定に計算できることが分かった。故に、JUPITERは詳細且つ精度良く燃料デブリの熱流動挙動を予測できる可能性を有していることが分かった。

A detailed evaluation for air cooling of fuel debris in actual reactors will be essential in fuel debris retrieval under dry conditions. To understand the heat transfer in and around fuel debris, which is assumed as a porous medium in the primary containment vessel (PCV) mechanistically, we newly applied the porous medium model to the multiphase and multicomponent computational fluid dynamics code named JUPITER (JAEA Utility Program for Interdisciplinary Thermal-hydraulics Engineering and Research). We applied the Darcy-Brinkman model as for the porous medium model. This model has high compatibility with JUPITER because it can treat both a pure fluid and a porous medium phase simultaneously in the same manner as the one-fluid model in multiphase flow simulation. We addressed the case of natural convection with a high-velocity flow standing out nonlinear effects by implementing the Forchheimer model, including the term of the square of the velocity as a nonlinear effect to the momentum transport equation of JUPITER. We performed some simple verification and validation simulations, such as the natural convection simulation in a square cavity and the natural convective heat transfer experiment with the porous medium, to confirm the validity of the implemented model. We confirmed that the result of JUPITER agreed well with these simulations and experiments. In addition, as an application of the updated JUPITER, we performed the preliminary simulation of air cooling of fuel debris in the condition of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station unit 2 including the actual core materials. As a result, JUPITER calculated the temperature and velocity field stably in and around the fuel debris inside the PCV. Therefore, JUPITER has the potential to estimate the detailed and accurate thermal-hydraulics behaviors of fuel debris.