高速炉燃料集合体内詳細熱流動解析手法の開発,3; Hybrid型k-/k-モデルの導入と妥当性確認

Development of computer program for detailed thermal-hydraulic analysis in a fast reactor fuel assembly, 3; Implementation and validation of hybrid-type k-/k- model

菊地 紀宏  ; 今井 康友*; 吉川 龍志  ; 田中 正暁  ; 大島 宏之

Kikuchi, Norihiro; Imai, Yasutomo*; Yoshikawa, Ryuji; Tanaka, Masaaki; Ohshima, Hiroyuki

ナトリウム冷却高速炉(高速炉)の炉心設計では、定格運転時(高流量条件)から、崩壊熱除去運転時(低流量条件)までの広範囲にわたる運転条件において、炉心の構成要素である燃料集合体が健全であることを確認する必要がある。そこで、燃料集合体内の流速及び温度分布等を詳細に評価するため、複雑形状を詳細に模擬できる有限要素法を用いた燃料集合体内詳細熱流動解析コードSPIRAL の整備を進めてきた。前報までに、等温条件での燃料集合体内流動に対する解析機能と速度場乱流モデルを導入した。その後、燃料集合体内の温度分布を評価するために必要な乱流熱伝達(温度場乱流)モデルを組み込み、主に高流量条件における試験解析を通じて妥当性確認を実施してきた。燃料集合体内の熱流動は、運転条件によって層流から乱流まで幅広く変化し、また、燃料集合体内の局所的なRe 数は燃料要素にらせん状に巻かれているワイヤスペーサ等の影響によって幅広い値を示す。このため、これまでに整備してきた標準型や低Re 数型k-/k-モデルでは、層流-乱流間の遷移領域における熱流動現象の再現が難しいことが示されていた。そこで、これらの遷移領域を含む幅広いRe 数範囲での熱流動場を再現するため、標準型k-/k-モデルに低Re 数型k-/k-モデルの長所を組み合わせたHybrid 型k-/k-モデルを整備することとした。本報では、基礎方程式、Hybrid 型k-/k-モデルを含む各種乱流モデルから導かれる構成方程式、それらの有限要素法による定式化とその数値計算上での取り扱い及び有限要素法に特化した境界条件の取り扱いについて記述するとともに、圧力損失及び温度分布の予測に関するHybrid 型k-/k-モデルの妥当性確認として実施した解析結果を報告する。

In a core design of sodium-cooled fast reactors (SFRs), it is necessary to confirm the integrity of fuel assemblies (FAs) in the core over a wide range of operating conditions. To evaluate the velocity and temperature distributions within the FAs in detail, we have been developing a detailed FA thermal-hydraulic analysis code named SPIRAL. In our previous works, we implemented numerical methods for fluid mechanics at isothermal conditions and turbulence models. Subsequently, we implemented turbulent heat transfer models for the evaluation of temperature distribution within the FAs, and validated them through experimental analyses mainly under high flow rate conditions. The thermal-hydraulics within the FAs varies depending on the operating conditions. Furthermore, the local Reynolds (Re) number within the FAs varies widely due to the influence of wire spacers spirally wound around the fuel rod. For this reason, it has been shown that standard and low Re number k-/k- models have difficulty reproducing the thermal-hydraulics in the laminar-turbulent transition region. Therefore, to reproduce the thermal-hydraulics over a wide Re number range, we developed a hybrid k-/k- model that combines the standard k-/k- model with the advantages of the low Re number k-/k- model. This paper describes the governing equations, constitutive equations derived from various turbulence models, their formularizations by the finite element method, their numerical treatment, and the treatment of boundary conditions. We also report the results of analyses conducted to validate the hybrid k-/k- model for predicting pressure drop and temperature distribution.