Development of reacting jet evaluation model based on engineering approaches with particle method for improvement of LEAP-III code

LEAP-IIIコード高度化のための工学的近似を用いたナトリウム-水反応評価用粒子法コードの開発

小坂 亘  ; 内堀 昭寛 ; 高田 孝  ; 柳沢 秀樹*; 渡部 晃*; Jang, S.*

Kosaka, Wataru; Uchibori, Akihiro; Takata, Takashi; Yanagisawa, Hideki*; Watanabe, Akira*; Jang, S.*

ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG)の安全性評価のため、解析コードLEAP-IIIではSG内伝熱管の破損に端を発する伝熱管破損伝播を含む長時間事象進展中の水リーク率を評価する。LEAP-IIIは半理論式や1次元保存式で構成されるため、低計算コストで計算が完了するという利点がある。しかしながら、反応ジェットにより形成される温度分布についての評価モデルが実験結果より過度に広い高温領域を与えている。結果として、LEAP-IIIは過度に保守的な結果を示すことがある。より現実的な温度分布評価を与えるようにモデルを改良するため、工学的近似を用いた粒子法コードの開発を行ってきた。この手法では、ジェット挙動と化学反応について、Na-水反応と多次元多相流の方程式群を解く代わりに、いくつかの工学的近似を用いたニュートンの運動方程式により評価する。本研究では、粒子間相互作用力モデルを追加し、化学反応・気液相間熱伝達の評価モデルを高度化した。テスト解析を実施し、本粒子法の結果をSERAPHIM(Na-水反応と非圧縮性を考慮した多次元多相流についての機構論的解析コード)の結果と比較した。このテスト解析を通じ、粒子法が低計算コストで現実的な温度分布を評価するという点について基本的な適用性が確認でき、また、LEAP-IIIとの連成によって伝熱管破断予測が可能であることも確認した。

For the safety assessment of a steam generator (SG) in a sodium-cooled fast reactor, the analysis code LEAP-III can evaluate the water leak rate during the long-term event progress including the tube failure propagation triggered by an occurrence of a small water leak in a failed heat transfer tube in SG. The LEAP-III has the advantage in completing the calculation with low computational cost since it consists of semi-empirical formulae and one-dimensional equations of conservation. However, an evaluation model of temperature distribution by the reacting jet provides wider high temperature region than the experimental data. As a result, LEAP-III shows excessive conservativeness in some case. A Lagrangian particle method code based on engineering approaches has been developed in order to improve this model to get more realistic temperature distribution. In this method, the jet behavior and chemical reaction are simulated using Newton's equation of motion with several engineering approximations instead of solving multi-dimension multiphase thermal hydraulic equations with sodium-water reaction. In this study, interparticle interaction force model was added, and also the chemical reaction and gas-liquid heat transfer evaluation models were improved. We conducted a test analysis, and compared the results by this particle method with the ones by SERAPHIM, that is a mechanistic analysis code for multi-dimensional multiphase flow considering compressibility and sodium-water reaction. Through this test analysis, it confirmed that this particle method has the basic capability to get a realistic temperature distribution with low computational cost, and also to predict tube failure occurrence by coupled with LEAP-III.