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ヘリウムガス冷却炉被覆粒子燃料層内における詳細熱流動解析

Thermal-hydraulic analysis in local fuel region of helium gas-cooled fast breeder reactor with coated-particle-type fuel

永田 武光; 大島 宏之

not registered; Ohshima, Hiroyuki

実用化戦略調査研究では、将来の実用化を見据えた新しい高速炉概念の構築を行っている。そこでは、ナトリウム冷却炉の他にガス冷却炉及び重金属冷却炉等様々な候補概念を検討しているが、ヘリウムガス冷却炉についてはその燃料形態として被覆粒子型燃料が提案されている。燃料体は同心環状管のコンパートメントから構成され、コンパートメント内のアニュラー部には被覆粒子燃料が充填されているが、この被覆粒子燃料層内を流れるヘリウムガスの冷却特性評価及び被覆粒子燃料を構成する材料の健全性評価は重要な課題の一つとなる。本研究では、被覆粒子層内における冷却材挙動及び被覆粒子燃料内の温度分布評価を目的として、被覆粒子燃料層内詳細熱流動解析を汎用流体解析コードFLURENTを用いて実施した。対象とした解析体系は、面心立法格子を流れ方向に5つ連結させたものである。解析の結果、被覆粒子燃料層内冷却材温度分布について、局所的に極端なピーク温度は発生しないことを確認した。被覆粒子燃料に関しては、燃料核以外は総じて上流側から下流側にかけてほぼ直線的に上昇する温度分布となる。一つの被覆粒子燃料表面の温度分布に着目すると、隣接する粒子の接触点にて急激な温度変化が認められ、下流側の接触点にて最高温度に達する。また、燃料体内におけるマクロ解析を実施する上で必要となる被覆粒子燃料層内圧力損失相関式の整備を目的として、FLUENTコードによる解析値と充填層内圧力損失相関式であるErgunの式の比較を実施し、両者が2$$leq$$Re$$leq$$154の範囲にて-11%$$sim$$20%で一致することを確認した。

Feasibility Study is being carried out at JNC to generate new concepts for commercialized fast breeder reactors. In this study, a helium gas-cooled reactor with coated-particle-type fuel is proposed, as one of the candidates for fast breeder reactors. Each fuel assembly has a compartment of an annular duct shape and the annular space of the compartment is filled with coated-particle-type fuels. The assessment of heat removal capability of coolant flowing in the coated-particle-fuel region and the endurance of fuel particle is one of the important issues in the reactor safety. In the present study, a thermal-hydraulic analysis was carried out in order to clarify flow and temperature fields in a local coated-particle-fuel region as well as in-particle temperature distributions. The FLUENT code was applied to this numerical analysis and the simulations were performed using five face-center cubic unit cells, which were combined with one another in the flow direction. Through the analysis, it was confirmed that the extreme temperature peak in coolant did not appear in the local Coated-particle-fuel region and the temperature in a coated fuel particle rises along the flow direction almost linearly except fuel core region. With respect to the surface temperature of a coated fuel particle, the maximum and the minimum temperatures appear at the downstream and the upstream contact points with neighboring particles, respectively. Further, the calculation results by FLUENT were compared with Ergun's correlation in order to verify the applicability of it to the pressure drop estimation in the coated-particle-fuel region. The friction coefficient estimated by FLUENT agreed with that by Ergun's correlation with errors from -11% to 20% for 2 $$leq$$ Re $$leq$$ 154.

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