高速炉燃料集合体内多次元熱流動解析へのミキシング係数モデルの適用; 169ピン集合体定常ナトリウム試験による検証

Development of multi-dimensional thermal-hydraulic modeling using mixing factors for wire wrapped fuel pin bundles in fast reactors; Validation through a sodium experiment of 169-pin fuel subassembly

西村 元彦; 上出 英樹 ; 三宅 康洋*

Nishimura, Motohiko; Kamide, Hideki; Miyake, Yasuhiro*

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。これらの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の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、定常状態および定常から自然循環崩壊熱除去へのスクラムを模擬した過渡事象に対して計測誤差と同等の精度で解析できる手法を構築した。本研究では今後の実機体系(217ピン集合体体系)の解析に備えて、本解析手法の大型バンドル体系による検証を行うこととした。解析対象は、比較的大型の169ピン部分発熱燃料集合体内冷却材混合効果試験とした。検証の結果、ミキシング係数モデルを導入することより、同モデルを適用しない場合に生じていた径方向温度勾配の過大評価が解消され、集合体内の平均レイノルズ数が250055000の広範囲にわたって試験結果をよく再現することが確認された。よって、大型バンドル体系に対する本解析手法の燃料集合体内温度分布の予測能力が妥当であることが確認できた。

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 subassembly is, therefore one of the important issues for the reactor safety assessment. Mixing factors were applied to multi-dimensional thermal-hydraulic code AQUA to enhance the predictive capability of simulating maximum cladding temperature in the fuel subassemblies. In the previous studies, this analytical method had been validated through the calculations of the sodium experiments using driver subassembly test rig PLANDTL-DHX with 37-pin bundle and blanket subassembly test rig CCTL-CFR with 61-pin bundle. The error of the analyses were comparable to the error of instrumentation's. Thus the modeling was capable of predicting thermal-hydraulic field in the middle scale subassemblies. Before the application to large scale real subassemblies with more than 217 pins, accuracy of the analytical method have to be inspected through calculations of sodium tests in a large scale pin bundle. Therefore, computations were performed on sodium experiments in the relatively large 169-pin subassembly which had heater pins sparsely within the bundle. The analysis succeeded to predict the experimental temperature distributions. The errors of temperature rise from inlet to maximum values were reduced to half magnitudes by using mixing factors, compared to those of analyses without mixing factors. Thus the modeling is capable of predicting the large scale real subassemblies.