Specifications for benchmark analyses of transient thermal-hydraulics in reactor vessel and primary heat transport system during decay heat removal operation

崩壊熱除去運転時における原子炉容器及び1次熱輸送系の過渡熱流動を対象としたベンチマーク解析仕様書

小林 順 ; 田中 正暁 ; 浜瀬 枝里菜 ; 江連 俊樹 

Kobayashi, Jun; Tanaka, Masaaki; Hamase, Erina; Ezure, Toshiki

ナトリウム冷却高速炉の安全性強化の観点から、多様な崩壊熱除去システムの設置が重要となっている。崩壊熱除去システムとして、原子炉容器内に冷却器を設置するDRACS、1次熱輸送系内に冷却器を設置するPRACS、2次熱輸送系内に熱交換器を設置するIRACS、蒸気発生器を用いた除熱、そして原子炉容器の外側から冷却するRVACSが挙げられる。原子炉容器内の上部プレナム部に浸漬させた直接炉内冷却器(D-DHX)を用いたDRACSは、炉心入口流量の確保が要件とはならず、原子炉容器内で冷却過程が完結する利点があるが、炉心部ではD-DHXからの低温ナトリウムが炉心部の集合体間の隙間に潜り込む流れ(IWF)が生じ、炉心-プレナム相互作用と呼ばれる複雑な熱流動現象を考慮することが必要となる。一方、炉心入口流量が確保されるPRACSあるいはIRACSでは、炉心部での複雑な熱流動現象を考慮する必要はないが、プラントの運転条件との関係が重要となる。そこで、崩壊熱除去システムと炉心部、さらにはプラント運転条件との相互作用を考慮したプラント挙動を適切に再現及び予測できる解析手法の構築を目的として、2つの試験条件を対象としてベンチマーク解析を実施することとした。これらの試験は、日本原子力研究開発機構が所有するナトリウム試験装置(PLANDTLDHX)にて、炉心部での集合体間径方向熱移行やIWFを含む炉内自然対流が重要となるDRACS方式と、1次熱輸送系の自然循環流量の確保による熱輸送が重要となるPRACS方式を採用して、定常運転時からのスクラムを模擬したシステム過渡試験である。本報は、ベンチマーク解析の実施にあたり、モデル化に必要となるPLANDTL-DHXの試験体の形状情報(1次熱輸送系のみ)と、計測結果に基づいて、中間熱交換器(IHX)と崩壊熱除去系の各2次熱輸送系入口における流量及び温度変化を解析時の境界条件として記載したものである。

In a sodium-cooled fast reactor, a diversified auxiliary cooling system to remove decay heat from the core is required to enhance its safety. The decay heat removal systems (DHRSs) include a direct reactor auxiliary cooling system (DRACS) with a heat exchanger in the upper plenum (UP) of the reactor vessel (RV), a primary reactor auxiliary cooling system (PRACS) with a heat exchanger in the primary heat transport system (PHTS), an intermediate reactor auxiliary cooling system (IRACS) with a heat exchanger in the secondary heat transport system (SHTS), a heat removal system which employs a steam generator, and a reactor vessel auxiliary cooling system (RVACS) that effects cooling from outside the RV. In the operation of the DRACS with a dipped-type direct heat exchanger (D-DHX) installed in the UP of the RV (UP-RV), the thermal interaction, called core-plenum interaction (CPI), regarding the thermal-hydraulic phenomena in the UP-RV and the core is observed. The CPI includes the penetration flow of the sodium at a low temperature from the D-DHX into the core assemblies, the flow in the gap between assemblies, and the radial heat transfer through sodium in the gap. On the other hand, in the operation of the PRACS or IRACS, where the flowrate in the PHTS is maintained, the core coolability is affected by plant operating conditions. Two transient tests conducted at the PLANDTL-DHX sodium test facility in Japan Atomic Energy Agency were provided to develop an appropriate numerical analysis model for prediction of transient thermal-hydraulics in the DHRSs, the core, and the PHTS. In this document, the geometry information of the RV and the PHTS, including the heat exchangers for the DHRS, and the measured flowrate and temperature transients at each inlet of the intermediate heat exchanger (IHX) on the SHTS side and DHRS were specified as the boundary conditions for the benchmark analyses.