Investigation on multi-dimensional short-term behaviour through benchmark analysis of a large-volume sodium combustion experiment

大容量ナトリウム燃焼試験におけるベンチマーク解析による短時間多次元挙動の検証

曽根原 正晃 ; 岡野 靖; 内堀 昭寛 ; 大木 裕*

Sonehara, Masateru; Okano, Yasushi; Uchibori, Akihiro; Oki, Hiroshi*

ナトリウム冷却高速炉では、ナトリウム漏えい事故を管理するためにナトリウムの燃焼挙動を理解することが極めて重要である。本研究では、多次元熱流動解析コードAQUA-SFを用いて、サンディア国立研究所(SNL)のT3実験のベンチマーク解析を実施した。この実験は、容器容積100m、ナトリウム流量1kg/sの密閉空間で実施され、ナトリウム注入直後の局所的な温度上昇がもたらす多次元的な影響を明らかにした。本研究では、AQUA-SFの機能を拡張することを目的として、このような多次元的な温度変動、特に容器底部における高温領域の形成のシミュレーションに焦点を当てた。提案したモデルには、ナトリウム液滴着火の一時停止と床面上のナトリウム飛沫の噴霧燃焼が含まれる。さらに、底部高温域の再現性を高めるためには、床部近傍に熱源を追加することが不可欠であることを示した。そこで、噴霧円錐角の感度解析と床面上の液滴の長時間燃焼を含むケーススタディを実施した。この包括的なアプローチにより、ナトリウム冷却高速炉におけるナトリウム燃焼のダイナミクスと安全対策に関する貴重な知見を得ることができた。

For sodium-cooled fast reactors, understanding sodium combustion behaviour is crucial for managing sodium leakage accidents. In this study, we perform benchmark analyses of the Sandia National Laboratories (SNL) T3 experiment using the multi-dimensional thermal hydraulic code AQUA-SF. Conducted in an enclosed space with a large vessel volume of 100 m and a sodium mass flow rate of 1 kg/s, the experiment highlighted the multi-dimensional effects of local temperature increase shortly after sodium injection. This study aims to extend the capabilities of AQUA-SF by focusing on the simulation of these multi-dimensional temperature variations, in particular the formation of high temperature regions at the bottom of the vessel. The proposed models include the temporary stopping of sodium droplet ignition and spray combustion of sodium splash on the floor. Furthermore, it has been shown that additional heat source near the floor is essential to enhance the reproduction of the high temperature region at the bottom. Therefore, case studies including sensitivity analyses of spray cone angle and prolonged combustion of droplets on the floor are conducted. This comprehensive approach provides valuable insights into the dynamics of sodium combustion and safety measures in sodium-cooled fast reactors.