高燃焼度燃料および革新型燃料の熱流動設計評価における数値実験法の開発

Development of a Numerical Experimentation Method for Thermal Hydraulics Design and Evaluation of High Burn-Up and Innovative Fuel Pins

二ノ方 壽*; 三澤 丈治*; Baglietto, E.*; 青木 尊之*; Sorokin, A. P.*; 前川 勇*; 大島 宏之; 山口 彰

Ninokata, Hisashi*; Misawa, Takeharu*; Baglietto, E.*; Aoki, Takayuki*; Sorokin, A. P.*; Maekawa, Isamu*; Ohshima, Hiroyuki; Yamaguchi, Akira

湾曲、変形を想定した高燃焼度高速炉炉心燃料や稠密配列燃料格子燃料に対し、様々な運転条件下における燃料表面壁せん断応力や被覆管温度分布、冷却材および燃料の温度分布を詳細に評価して燃料の温度制限に対する適正な裕度を確認するとともに、Design by Analysis のツールとしての熱流動大規模数値シミュレーション手法を提案する。適用範囲に限界があるホットスポットファクターや実験に基づく経験論的なアプローチなどに代わり、数値シミュレーションによって、高燃焼度、長寿命、高信頼性、安全性、運転・保守の容易性、核廃棄物量の最少化などの諸要求条件を充たす高速炉炉心の熱流動設計の最適化を容易とする。直交座標系と曲線座標系の間の座標変換を利用して、燃料集合体のような複雑形状を有する流路内の熱流動現象を詳細に解析する擬似乱流直接シミュレーションコードを開発し、座標変換前後の計算の妥当性について各種簡易形状流路内乱流熱伝達を計算して検証するとともに、物理量分布や乱流統計量などについて実験結果と比較し精度の確認を行った。また、擬似直接乱流シミュレーションを三角配列無限大本数ピン集合体に適用した結果の妥当性を、公開文献にある実験結果および汎用CFDコードSTAR-CDによるレイノルズ平均N-S方程式系の計算結果と比較して示すとともに、運動量・エネルギーの輸送プロセスに与える乱流の非等方性による二次流れの影響の重要性が強調された。さらに、円管形状に拘らない任意の新型高性能被覆管形状を考慮に入れて、熱流動の観点から最適の形状および配列を検討した。

A method of large scale direct numerical simulation of turbulent flows in a high burn-up fuel pin bundle is proposed to evaluate wall shear stress and temperature distributions on the pin surfaces as well as detailed coolant velocity and temperature distributions inside subchannels under various thermal hydraulic conditions. This simulation is aimed at providing a tool to confirm margins to thermal hydraulics design limits of the nuclear fuels and at the same time to be used in design-by-analysis approaches. The method will facilitate thermal hydraulic design of high performance LMFR core fuels characterized by high burn-up, ultra long life, high reliable and safe performances, easiness of operation and maintenance, minimization of radio active wastes, without much relying on such empirical approach as hot spot factor and sub-factors, and above all the high cost mock up experiments. A pseudo direct numerical simulation of turbulence (DNS) code is developed, first on the Cartesian coordinates and then on the curvilinear boundary fit coordinates that enables us to reproduce thermal hydraulics phenomena in such a complicated flow channel as subchannels in a nuclear fuel pin assembly. The coordinate transformation is evaluated and demonstrated to yield correct physical quantities by carrying out computations and comparisons with experimental data with respect to the distributions of various physical quantities and turbulence statistics for fluid flow and heat transfers in various kinds of simple flow channel geometry. Then the boundary fitted pseudo DNS for flows inside an infinite pin array configuration is carried out and compared with available detailed experimental data. In parallel similar calculations are carried out using a commercial code STAR-CD to cross-check the DNS performances. As a result, the pseudo DNS showed reasonable comparisons with experiments as well as the STAR-CD results. Importance of the secondary flow influences is emphasized on the momentum a