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Numerical simulation of turbulent heat transfer behind a spacer with small-ribs in a subchannel

サブチャンネル内に存在する微小突起を有するスペーサ後方の乱流熱伝達に関する数値シミュレーション

高瀬 和之

Takase, Kazuyuki

超臨界圧水冷却炉の熱設計において、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、このためには燃料温度を高くする必要があり、その結果とし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大きな課題であった。そのため、燃料被覆管表面温度の上昇を抑制する一方、冷却材温度の上昇を促進させることが熱設計において期待されていた。そこで、著者は燃料集合体内に存在す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促進させて燃料被覆管表面温度の上昇を抑制することを発案し、そのアイデアの妥当性を数値的に調べた。冷却材である超臨界水の伝熱流動特性を正確に予測するために開発したプログラムを使って、流路入口流速、燃料棒熱流束及びスペーサに設置した微小突起の取り付け角度を種々に変えた条件で計算を行い、スペーサに設けた微小突起によって乱れを促進できること、それに伴って乱流熱伝達率を向上できること、さらには熱伝達率の増大によって燃料被覆管表面温度上昇を抑制できることが明らかになった。

When devising the thermal design of supercritical water reactors, it is necessary to develop an analysis method that correctly predicts the turbulent heat transfer characteristics in subchannels of fuel bundles. Spacers are set into the subchannels to maintain the distances between adjacent fuel rods. The turbulent heat transfer is generally enhanced by the spacers' reduction of the cross-sectional area in the subchannels. However, since the thermophysical properties of supercritical fluids drastically change in the vicinity of a pseudocritical point, the enhancement of the turbulent heat transfer depends on the thermal design. To this end, the Japan Atomic Energy Agency is developing an analysis method that will predict the thermal-hydraulic characteristics of supercritical fluids. The heat transfer calculations were performed using a newly developed code under conditions of a subchannel with a spacer. The enhancement of the turbulent heat transfer coefficient in the subchannels with spacers was analyzed numerically.

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