高速炉燃料集合体内詳細熱流動解析手法の開発(1)

Development of computer program for detailed thermal-Hydraulic analysis in a fast reactor fuel subassembly (1)

大島 宏之; 今井 康友*

Ohshima, Hiroyuki; Imai, Yasutomo*

高燃焼度燃料など高性能化を目指した高速炉燃料集合体の熱流動評価手法として、サブチャンネル解析手法と複雑空間内詳細熱流動解析手法を組み合わせた解析評価システムを構築している。これは、実験では解明が困難な熱流力特性を数値実験によって予測可能とし、合理的な安全設計評価に寄与することを目的とする。本報告書は、このシステムを構成する詳細熱流動解析コードSPIRAL-IIについて、その流動解析部の開発および基本検証について記述したものである。SPIRAL-IIコード流動解析部の開発においては、形状模擬性に優れるという観点から有限要素法を採用した。支配方程式の離散化にはBubnov-Galerkin法を用いるとともに、計算安定化のためにStreamline Upwind Petrov Galerkin法、Balanced Tensor Diffusivity法も選択できるようにした。時間積分には半陰解法(Fractional Step法)を用い、圧力方程式の解法には直接法あるいはICCG法を適用した。また、乱流の取り扱いとしてk-2方程式モデルを組み込んだ。計算要素については、複雑形状に対応するため流速・圧力ともに六面体1次もしくは2次、五面体1次アイソパラメトリック要素の3種類を用意し、この中から自由に組み合わせて用いることも可能とした。作成した流動解析部の基本性能を確認するため、以下の解析を実施した。層流問題(1)低レイノルズ数領域における矩形ダクト内2次元流れ(2)キャビティフロー(3)バックステップフロー乱流間題(4)高レイノルズ数領域における矩形ダクト内2次元流れ(5)乱流バックステップフローその結果、(1),(2)においては流速分布が理論解/数値実験解と一致し、(2)においも流速分布が実験値とほぼ一致するとともに再付着点位置も高次差分法と同等の予測値を得た。乱流領域においても同様に理論近似解や実験計測値と良好に一致した。以上より、SPIRAL-IIコードは、流動に関して十分な予測精度を有することを確認した。

As a thermal-hydraulic evaluation tool for high performance fast reactor fuel subassemblies, with high burn-up fuel, a numerical analysis system in which a subchannel analysis program and a detailed thermal hydraulic analysis program are utilized interactively is under development, This system enables us to clarify thermal hydraulic characteristics that cannot be revealed by experiments due to the measurement difficulty and to contribute to rational safety design and assessment. This report describes the first step of development and verification study of the detailed thermal hydraulic analysis program SPIRAL-II. SPIRAL-II adopts the finite element method from thc viewpoint of the advantage to treat precisely complicated geometry. Conservation equations of mass and momentum were discretized by Bubnov-Galerkin method. At the same time, one can choosc streamline upwind Petrov-Galerkin method or a balancing tensor diffusivity method for calculation stabilization. Semi-implicit solution scheme (fractional step method) developed by Ramaswamy is used for time integration. As the pressure equation matrix solver, ICCG or Gaussian elimination is applied. With respect to the turbulence model, k- two equation model was implemented. As to the type of calculation element, 1st/2nd order hexahedron element and 1st order pentahedron clement are available. A verification study of SPIRAL-II was carried out using the following problems: (1)2-dimensional flow in duct (laminar and turbulent flow), (2)Cavity flow, and (3)Backstep facing flow (laminar and turbulent flow) The predicted velocity profiles in the case (1)agreed with theoretical ones in both laminar and turbulent flow. In the cases of (2) and (3), it was confirmed that the SPIRAL-II has the prediction accuracy that is almost equivalent to the higher-order finite difference method.