高速炉燃料集合体領域の要素分割法の開発

Development of mesh generation method in a fast reactor fuel assembly

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

日本原子力研究開発機構では、ナトリウム冷却高速炉(高速炉)の燃料集合体内の詳細な熱流動評価を目的として、有限要素法による詳細熱流動解析コードSPIRALの整備を進めている。高速炉での特長的なワイヤスペーサ型燃料集合体では、計算に利用する計算格子(要素)の品質が予測精度に大きく影響するため、燃料集合体ピンバンドル領域に高品質の要素を配置することが数値解析を実行する上で重要な課題となる。複雑な燃料集合体領域の要素分割を行う手段としては、燃料集合体形状をCADデータで再現した上で市販されている汎用の計算格子生成プログラム(メッシャー)を利用することが考えられるが、極めて煩雑な作業となる。そこで、高品質の要素分割を効率的に配置するため、燃料集合体の幾何形状(設計情報)と要素分割を設定するパラメーターを入力条件として、燃料集合体領域の要素分割を自動で実行するメッシャーを開発した。本報では、このメッシャーの各種要素分割モデルの詳細とその利用法について詳説する。本メッシャーでは、複雑形状となる燃料集合体領域に対して、計算格子を規則的に配置するためマルチブロック法による領域分割を行った上で、それぞれのブロック領域で曲線座標系による境界適合格子を生成し、最終的に統合して一つの燃料集合体体系とする要素分割法を採用した。また、隣接するブロック領域間での要素の連続性を維持するため、六面体(Hexa)要素とプリズム状の(Prism)要素を併用する要素配置とした。以上の六角形断面のラッパ管で囲まれた燃料集合体に対する基本的な要素分割機能に加え、溶融燃料の排出を促進するため燃料集合体内部にダクトを設けた変則的な燃料集合体に対する要素分割も可能である。本メッシャーの開発によって、様々な条件における複雑な燃料集合体領域の要素分割を正確かつ効率的に実行することが可能となった。

In the Japan Atomic Energy Agency, a detailed thermal-hydraulic analysis code named SPIRAL based on the finite element method (FEM) is being developed to evaluate the detailed thermal-hydraulic properties of fuel assemblies (FAs) in sodium-cooled fast reactors (FBRs). Because the quality of the computational grid (elements) used in the calculations has a significant impact on the prediction accuracy, the allocation of high-quality elements in the wire-spacer-type FA pin bundle region is an important issue for numerical analysis. Although a commercial mesh generation program (mesher) with CAD data of FA's geometric shape can be considered as one measure, it is an extremely complicated task to perform element division of complex FA region. Therefore, to efficiently allocate high-quality elements, we developed a mesher that automatically performs element division in the FA region using the FA's geometric shape (design information) and meshing parameters as input conditions. This report describes the details of the mesher's various meshing models and their usage. To regularly allocate the computational grid for the complex FA region, the mesher first divides the region into multiple blocks using a multi-block method, then generates boundary-fitted curvilinear coordinate grids for each block region, and finally integrates them into a single FA mesh system. In addition, a combination of hexahedral elements and prism-shaped elements is arranged to maintain element continuity between adjacent block regions. Element division for both the normal FAs surrounded by a hexagonal cross-section tube and the irregular FAs, inside which a duct is installed to promote the discharge of molten fuel, is possible. The development of this mesher has made it possible to accurately and efficiently perform element division of complex FA region on various conditions.