Numerical analysis of natural convective heat transfer with porous medium using JUPITER

JUPITERを用いた多孔質体の自然対流熱伝達解析

上澤 伸一郎  ; 山下 晋   ; 佐野 吉彦*; 吉田 啓之  

Uesawa, Shinichiro; Yamashita, Susumu; Sano, Yoshihiko*; Yoshida, Hiroyuki

東京電力福島第一原子力発電所(1F)の廃炉における汚染水対策として、日本原子力研究開発機構(JAEA)では、燃料デブリの位置や発熱、空隙率の影響を含む、空冷時の熱挙動を計算するため、ポーラスモデルを用いたJUPITERコードによる数値解析手法の開発を進めている。本研究では、ポーラスモデルを用いたJUPITERの妥当性確認を行うため、多孔質体を用いた自然対流熱伝達実験とその数値シミュレーションを実施した。実験とシミュレーションの温度と速度の分布を比較すると、多孔質体の上面付近の温度を除き、シミュレーションの温度分布は実験の温度分布と良く一致した。また、速度分布も実験結果と定性的に一致した。妥当性確認に加えて、本研究では、多孔質体の内部構造に基づく有効熱伝導率が自然対流熱伝達に及ぼす影響について検討するために、様々な有効熱伝導率モデルを用いた数値シミュレーションも実施した。その結果、多孔質媒体内の温度分布や自然対流の速度分布はモデルごとに大きく異なることがわかり、燃料デブリの有効熱伝導率は1Fの熱挙動解析における重要なパラメータの一つであることがわかった。

Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has developed a numerical method with the JUPITER code with a porous medium model to calculate the thermal behavior in PCVs of 1F. In this study, we performed an experiment and numerical simulation of the natural convective heat transfer with the porous medium to validate JUPITER with the porous medium model. In comparison of the temperature and velocity distributions between the experiment and simulation, the temperature distribution in the simulation was in good agreement with the distribution in the experiment except the temperature near the top surface of the porous medium. The velocity distribution also agreed qualitatively with the experimental result. In addition, we also performed the numerical simulations with various effective thermal conductivity models to discuss the effect of the conductivity based on the internal structure of porous media on the natural convective heat transfer. The result indicated that the temperature distribution in the porous medium and the velocity distribution of the natural convection were significantly different for each model, and thus the conductivity of the fuel debris was one of the key parameters of in the thermal behavior analysis in 1F.