高速炉燃料集合体内非定常多次元熱流動解析へのミキシング係数モデルの適用

Development of multi-dimensional thermal hydraulic modeling using mixing factors for wire wrapped fuel pin bundles with inter-subassembly heat transfer in fast reactors

西村 元彦; 上出 英樹 ; 大島 宏之

Nishimura, Motohiko; Kamide, Hideki; Ohshima, Hiroyuki

高速炉の自然循環による崩壊熱除去時の炉心部においては,集合体間およびサブチャンネル間の流量再配分,集合体間熱移行,炉心プレナム相互作用ならびにインターラッパーフロー等の様々な形態とスケールを持つ現象が複雑に影響を及ぼし合いながら伝熱流動場を形成している。かかる複雑な現象を総括して取り扱う上で,多次元熱流動解析は最も有力な評価ツールである。これまでに動力炉・核燃料開発事業団では,大型炉ブランケット集合体を模擬した61ピン集合体を持つCCTL-CFR,および炉心燃料集合体を模擬した37ピン集合体を備えるPLANDTL-DHXの2種類のナトリウム伝熱流動試験体の実験解析による検証から,集合体間熱移行およびインターラッパーフローによる除熱現象を解析するためのモデル化手法を構築してきた。特に集合体内の解析については,1メッシュに1サブチャンネルを内包するスタガードハーフピンメッシュ分割を用いた多次元解析に,サブチャンネル解析で実績を持つミキシング係数モデルを導入し,定常実験の解析を通して検証を実施した。本研究では,このミキシング係数モデルを熱過渡解析に適用するための改造を実施した。具体的には,ミキシング係数の決定パラメータであるレイノルズ数およびグラスホス数の定義を,これまで用いていたバンドル加熱部平均の値から,局所量に基づく値に変更した。また,自然/共存対流域に発生するthermal plumeによる混合効果は,リチャードソン数に基づく関数を提案・導入し,強制循環時には作用しない定式化とした。さらに,サブチャンネル解析用に開発された工学モデルを多次元解析に適用することから,本解析手法とサブチャンネル解析との比較を実施し,定式化の整合性を確認した。その結果,PLANDTL-DHXの過渡実験解析による検証において,本手法による実験との誤差は,最高温度発生時刻のピーキングファクターに関して1.0%以内であり,計測誤差と同程度以下であった。また,サブチャンネル解析と本解析手法による計算結果は良く一致しており,両者の定式化およびミキシング係数モデルの適用方法が整合していることが証明された。これにより,熱過渡時に大きな集合体間熱移行を伴う燃料集合体を対象とした,ミキシング係数を用いた多次元熱流動解析手法の適用性が確認された。

Temperature distributions in fuel subassemblies of fast reactors interactively affect heat transfer from center to outer region of the core (inter-subassembly heat transfer) and cooling capability of an inter-wrapper flow, as well as maximum cladding temperature, The prediction of temperature distribution in the sub-assembly is, therefore one of the important issues for the reactor safety assessment. To treat the complex phenomena in the core, a multi-dimensional thermal hydraulic analysis is the most promising method. From the studies on the multi-dimensional thermal hydraulic modeling for the fuel sub-assemblies, the followings have been recommended through the analysis of sodium experiments using driver subassembly test rig PLANDTL-DHX and blanket subassembly test rig CCTL-CFR. (1)Staggered half pin mesh arrangements for the pin bundles. (2)MIT's distributed resistance correiation for the predictions of axial pressure drop. (3)MIT's Mixing factors for inter-subchannel mixing due to wire sweeps, turbulence and thermal plumes. Computations of steady states experiments in the test rigs using the above modeling showed quite good agreement to the experimental data. In the present study, the use of this modeling was extended to transient analyses, and its applicability was examined, Firstly, non-dimensional parameters used to determine the mixing factors were modified from the ones based on bundle-averaged values to the ones by local values. Sccondly, a new threshold function was derived and introduced to cut off the mixing factor of thermal plumes under inertia force dominant conditions. This function goes 1 to 0 when Richardson number decreasingly passes through value of 0.1. Since no thermal plumes were observed under the condition below Richardson numbcr equal 0.1, in the results of existing studies. A comparison or the multi-dimensional analysis to a subchannel analysis was also made to cxamine the consistency of formulations between the two analytical ...