Phase Change Predictions for Liquid Fuel in Contact with Steel Structure using the Heat Conduction Equation

熱伝導方程式を用いたスティール構造材と接触した溶融燃料の相変化予測

Brear, D. J.

Brear, D. J.

仮想的な炉心損傷事故時において、溶融燃料は燃料集合体ラッパ管等のスティール構造材と接触した場合には、燃料は固化して構造材表面にクラストを形成するとともに、構造材の表面は溶融する可能性がある。このような溶融・固化過程は、燃料の固化挙動、すなわち燃料の炉心からの流出挙動に影響を及ぼす。この場合、燃料およびスティールの中に形成される温度勾配によって、燃料からのスティールへの熱移行速度が計算されることになる。本研究では、初期に液体状態にあるUO2が固体スティールに接触する場合に1次元非定常熱伝導方程式を適用し、最新の物性値を用いることで、燃料クラストの形成およびスティール溶融が生じる条件を予測した。また、その一方もしくは両方の物質が相変化する時の界面温度を計算するための簡易解析手法を作成した。本研究で予測されたスティール溶融条件を既存の実験結果と比較して、モデルの妥当性を確認した。

When liquid fuel makes contact with steel structure the liquid can freeze as a crust and the structure can melt at the surface. The melting and freezing processes that occur can influence the mode of fuel freezing and hence fuel relocation. Furthermore the temperature gradients established in the fuel and steel phases determine the rate at which heat is transferred from fuel to steel. In this memo the 1-D transient heat conduction equations are applied to the case of initially liquid UO brought into contact with solid steel using up-to-date materials properties. The solutions predict criteria for fuel crust formation and steel melting and provide a simple algorithm to determine the interface temperature when one or both of the materials is undergoing phase change. The predicted steel melting criterion is compared with available experimental results.