Temperature and flow distributions in sodium-heated large straight tube steam generator by numerical methods

数値的手法による大型直管型ナトリウム加熱型蒸気発生器の温度・流速分布特性

木曽原 直之 ; 森部 剛志; 堺 公明

Kisohara, Naoyuki; Moribe, Takeshi; Sakai, Takaaki

将来の実用化FBRのために研究が進められているナトリウム加熱型蒸気発生器(SG)は直管2重管型である。このSGは製作費低減のためスケールメリットを追求して大型になっている。本論文はこの大型SGにおける多次元の温度・流速分布を取り扱ったものである。大型の熱交換器は流速や温度分布が不均一になりやすい。このような不均一分布は、直管型蒸気発生器においては、伝熱管の熱膨張差の違いにより、伝熱管の座屈や管-管板継ぎ手の破損に至る可能性がある。よって、SG内部の温度分布特性を数値的な手法により調べ、これらの課題が生じないように、流配機構を最適化した。SGの解析モデルは、入口ナトリウムプレナムと管束部の2つから成る。入口プレナムと管束部の温度・流速分布は多次元コードフルーエントとMSGを用いて評価した。次にこの温度分布に基づき、伝熱管の熱応力をFINASによって計算した。計算コードの解析によると、整流機構によってナトリウムは均一な流れとなり、また温度分布は伝熱管や管-管板継ぎ手の構造健全性の観点でその許容範囲内にあることがわかった。

A sodium heated steam generator (SG) for the Japanese future commercialized fast reactor is a straight double-wall-tube type. The SG is large-sized by economics of scale. Large-sized heat exchanger components are prone to have non-uniform flow and temperature distributions. These mal-distributions cause tubes thermal expansion mismatch and it might lead to tube buckling or tube to tube-sheet junction failure in straight tube type SGs. The temperature profiles in the SG are examined by numerical methods, and the flow distribution devices are designed to prevent these issues. Multi-dimensional thermal-hydraulic codes "FLUENT" and "MSG" are used to predict tube temperature distributions, and the thermal loads on tubes are obtained by the structural code "FINAS". These codes have revealed that the sodium flow is distributed uniformly by the flow distributors, and that the tube thermal loads remain within the allowable range for the tubes and the junctions structural integrity.