Numerical analysis of heat transfer enhancement by spacers in subchannels at supercritical pressure condition

超臨界圧条件におけるサブチャンネル内のスペーサによる伝達促進に関する数値解析

高瀬 和之; 三澤 丈治; 吉田 啓之  

Takase, Kazuyuki; Misawa, Takeharu; Yoshida, Hiroyuki

超臨界圧水冷却炉(SCWR)の熱設計において、炉心熱効率を向上させるためには炉心出口における冷却材温度を高くすることが必要であるが、これによって燃料被覆管表面温度も上昇するため、被覆管材料の高温劣化が課題となっている。したがって、熱設計上は燃料被覆管表面温度の上昇を抑制し、冷却材温度の上昇は向上させるような伝熱挙動が期待される。本研究では燃料集合体内に設置されるスペーサに着目し、スペーサによる伝熱促進効果によって燃料集合体内の熱伝達率を向上させることで、期待する伝熱挙動の達成の可能性について数値的に検討した。本検討には冷却材である超臨界水の伝熱流動を正確に把握できる解析手法が必要であり、そのため、著者らは超臨界流体の熱物性値を導入した熱流動解析コードの開発を行っている。開発中のコードによる評価解析によって、スペーサ形状に応じて燃料集合体内の熱伝達率を向上できることが明らかになった。

For the thermal design of supercritical water reactors, it is necessary to develop an analysis method to correctly predict turbulent heat transfer characteristics in subchannels of fuel bundles. Spacers are set into the subchannels to keep a distance between adjacent fuel rods. The turbulent heat transfer generally enhances by reduction of cross-sectional area in the subchannels due to the existence of the spacers. However, since thermo-physical properties of supercritical fluids drastically change at the vicinity of the pseudocritical point, the enhancement of the turbulent heat transfer depends on the thermal design. Then, the Japan Atomic Energy Agency is developing the analysis method to predict thermal-hydraulic characteristics of the supercritical fluids. The heat transfer calculations were performed using a newly developed code under the condition of a subchannel with a specer, and the enhancement of the turbulent heat transfer coefficient in subchannels with the spacer was analyzed numerically.