多次元ナトリウム-水反応解析コードSERAPHIMの高度化および漏えい初期における感度解析

Modification of multi-dimensional sodium-water reaction analysis code: SERAPHIM and sensitivity analyses on the early stage of leakage

高田 孝; 山口 彰; 渡部 晃*

Takata, Takashi; Yamaguchi, Akira; Watanabe, Akira*

蒸気発生器内でのナトリウム-水反応現象を詳細に評価することを目的に開発した多次元ナトリウム-水反応解析コードSERAPHIMの高度化として表面反応モデルの改良、気相反応モデルにおける水和物の影響評価ならびに反応生成物組成に関する検討を実施した。また大規模計算体系への適応として、MPI(Massage Passing Interface)を用いた並列化を実施した。領域分割,メモリ分散型の並列化を実施した結果、16CPUで約17倍の加速並びに100万メッシュ以上の計算が可能となった。高度化したSERAPHIMコードを用い、反応初期における表面反応モデルに関する感度解析を実施し、以下の知見を得た。・化学反応の有無に関しては、化学反応がない場合の方が気相領域の成長は早い。また漏えい初期に発生する圧カピークは反応の有無にかかわらず観察される。・初期圧力の違いにより、気相領域の成長や流動場は大きく異なるものの、最高温度に関する相違はそれほど見られなかった。これは、初期圧力の違いにより反応領域の大きさや発熱密度は異なるものの、同時に伝熱流動場も大きく変化したためである。・気相NaOHを考慮することにより、数値解析での最高温度(気相ガス温度)は約1200度Cとなった。液体ナトリウムと水蒸気から気相NaOHを生成する際、基準状態では吸熱反応であり、気相NaOHはナトリウム-水反応評価に重要である。

Modification of the SERAPHIM code, which was developed to deal with the sodium-water reaction phenomena in a steam generator of the LMFR, has been carried out With regard to the reaction mechanism, the surface reaction model is improved. The hydrated effect on the reaction rate in the gas-phase reaction is estimated and the reaction product in the sodium-water reaction is investigated. The SERAPHIM code is also parallelized using the MPI (Message Passing Interface) method to apply to a large-scale simulation such as over one million nodes with a limited PC resource. The analysis region and the memory needed in the analysis are discrete in the SERAPHIM code. The execution time becomes approximately l7 times faster in case of 16 CPUs. The calculation of one million nodes can be available even in a PC cluster system with 1 GB memory. Sensitivity analyses of the surface reaction model in the beginning of the water vapor leakage are carried out and the following conclusion are obtained. 1)Gas region develops quickly in case of no chemical reaction. The pressure peak is obtained at an early stage of the leakage regardless of the chemical reaction. 2)The difference of the initial pressure strongly affects the development of the gas region and the flow-field. However,It is less influential on the maximum temperature. The maximum temperature depends not only on the chemical reaction characteristics such as the gas region and heat generation but also on the thermal-hydraulics characteristics in the multi-phase flow field. 3)Considering the evaporation of sodium hydroxide (NaOH), the maximum gas temperature of approximately 1200deg is observed in the analysis. In the standard state, the chemical reaction that produces a gas state sodium oxide and hydrogen gas from liquid sodium and water vapor is endothermic. In is concluded that the evaporation of sodium hydroxide is very important phenomena in the sodium-water reaction.