Multiscale thermal hydraulic analysis of fuel assembly and system of SFR
Creators: name: Wang, Xi
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Wire spacer
Fuel rod bundle
Sweeping flow
Local heat transfer
SFR
STH
CFD

description: Als einer der innovativen nuklearen Reaktoren der vierten Generation, hat der schnellenatriumgekühlte Reaktor (sodium cooled fast reactor SFR) einzigartige Eigenschaften inBezug auf Wärmeübertragung und Konversionsrate.
Aufgrund des großen Verhältnisses von Brennstoff zu Kühlmittel, werden die Brennstäbein der Regel in einer dreieckigen Anordnung untergebracht. Schraubenförmige Drahtab-standshalter kommen bei dieser Art von Reaktor zum Einsatz. Ein anderes wichtigesDesignmerkmal dieses Reaktortypes ist die sogenannte Pool-Bauweise. Der bekanntesteDemonstrationsreaktor dieser Art ist der Phenix Reaktor, der im Jahr 2009 abgeschaltetwurde. Die Weiterentwicklung des Phenix Reaktors ist ASTRID [Le Coz et al. (2011)].
Im Vergleich zu den vielen Erfahrungen aus dem kommerziellen Einsatz von wassergekühltenReaktoren, resultieren die speziellen Eigenschaften des SFR immernoch in großen Heraus-forderungen bezüglich der Brennelemente und des Systems. Einige dieser Herausforderun-gen sind hier aufgelistet.
1. Thermohydraulische Phänomene der Brennelementea) Durch die Abstandshalter verursachte Drall-Strömungb) Der lokale Wärmeübergang in den dreieckig angeordneten Brennstäben mitihren Abstandshalternc) Unterkanal Analyse der Brennelemente unter Berücksichtigung der oben genan-nten Punkte
2. Thermohydraulische Phänomene des Reaktorsystemsa) Die lokalen dreidimensionalen Phänomene im Inneren des Pool, welche mit demgesamten Systemverhalten eng verbunden sind
Die thermohydraulischen Eigenschaften eines SFR-Brennelements sind hauptsächlich durchdie schraubenförmigen Abstandshalter, sowie der Anordnung der Brennstäbe bestimmt.Einer der Haupteffekte der Drahtabstandshalter ist das Verstärken des Queraustauschs vonKühlmittel in der dreieckigen Anordnung. Um die Eigenschaften der Kühlmittelströmungzwischen den Brennelementen zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit Methoden der nu-merischen Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) angewandt. Hierzuwurde die Strömung und die Wärmeübertragung in einem 19-Brennstab-Brennelement mitschraubenförmigen Drahtabstandshaltern untersucht. Diese CFD Untersuchungen konzen-trieren sich nur auf einen Abschnitt des Brennelements. Die Länge des CFD-Modells, mitperiodischen Einlass- und Auslassrandbedingungen beträgt eine Drahtumwendung. AlsTurbulenzmodell wurde das k − ω SST-Modell eingesetzt. Der Einfluss des Drahtabstand-halters auf die Geschwindigkeitsverteilung im Spalt zwischen zwei Unterkanälen wurdeuntersucht. Basierend auf der Kräftebilanz aus Wake-Kraft und Oberflächenreibungskraftin Umfangsrichtung der Brennstäbe wurde ein theoretisches Modell zur Vorhersage desmittleren Massenstroms der Drall-Strömung, hervorgerufen durch einen einzigen Draht,vabgeleitet. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Verhältnis aus Brennstababstand(P ) zum Brennstabdurchmesser (D) einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeit derDrall-Strömung hat. Die normalisierte Drall-Strömungsgeschwindigkeit steigt mit demP/D Verhältnis an. Die Simulationsergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit demvorgeschlagenen theoretischen Modell. Zusätzlich hat noch das Verhältnis aus Drah-tumwendlungslänge (H) und Brennstabdurchmesser einen Einfluss auf den Queraustausch:ein kleines H/D Verhältnis führt zu einem größeren Queraustausch. Eine Korrelationbasierend auf beiden Verhältnissen, sowohl P/D als auch H/D, zur Vorhersage der Drall-Strömungsgeschwindigkeit wurde in dieser Arbeit vorgeschlagen.
Aufgrund der Drall-Strömung und der dreieckigen Anordnung der Brennstäbe könnteder Wärmeübergang in Umfangsrichtung der Brennstäbe eine nicht-uniforme Verteilungausweisen. Eine uniforme Verteilung wurde bisher in den meisten Unterkanalanalysenangenommen. Da das lokale Strömungsfeld zwischen den einzelnen Unterkanälen starkdurch die Drahtabstandshalter beeinflusst ist, hängt auch der Wärmeübergang in diesemBreich von der Anordnung der Brennstäbe und deren Abstandhalter ab. Um den lokalenWärmeübergang der Brennelemente zu untersuchen, wurde der CFD Code OpenFOAMverwendet. Ebenfalls wurde die Wärmestromverteilung auf der Brennstaboberfläche, sowiedie Temperaturverteilung auf Brennstab und Abstandshalter analysiert. In dieser Arbeitwurden zwei CFD Modelle zur Untersuchung des Wärmeübergangs verwendet. Ein 19Brennstab-Brennelement mit Drahtabstandhalter und ein Modell ohne Drahtabstandhal-ter. Für das Modell ohne Abstandhalter wurde eine periodische Randbedingung einge-setzt, um den Wärmeübergang in der entwickelten Strömung zu untersuchen. Für das19 Brennstab-Brennelement mit Draht wurden gewöhnliche Einlass- und Auslassranbe-dingungen gesetzt. Die Länge des Modells betrug zwei Drantumwendungen. Bei beidenModellen wurden sowohl die flüssigen Regionen, als auch die Festkörper simuliert. AlsTurbulenzmodell wurde das k-omega SST Modell verwendet. Die Simulationen zeigeneinen kosinusförmigen lokalen Wärmeübergang in Umfangsrichtung der Brennstäbe.
Neben der detaillierten Untersuchung der dreieckig angeordneten Brennstäbe, wurde auchdas Unterkanalprogramm MATRA für die Berechnung von flüssigem Natrium erweitert.Hierzu wurden die physikalischen Eigenschaften von Natrium, sowie Korrelationen fürDruckverlust, Wärmeübergang und turbulente Vermischung aus vorhandener Literaturentnommen und implementiert. Eine automatische Nodalisierungsfunktion für die Gener-ierung der Eingabedatei wurde entwickelt. Ebenfalls wurde die hier vorgeschlagene Korre-lation implementiert, um lokale Oberflächentemperaturen und Wärmeübergangskoeffizien-ten ausgeben zu können. Schließlich wurde der modifizierte MATRA Code zur Analyseeines Brennelements des ASTRID Reaktors verwendet.
Das thermohydraulische Verhalten des SFR ist maßgebend beeinflusst durch die Pool-bauweise. Der Kühlkreislauf weist starke lokale dreidimensionale Phänomene im kalten undheißen Plenum auf. Diese Phänomene sind mit dem gesamten Systemverhalten eng verbun-den. In dieser Arbeit wurde der System Code ATHLET und der CFD Code OpenFOAMmiteinander verbunden, um den “dissymmetrie Test” des Phenix Reaktors zu simulieren.Die Ergebnisse dieser Simulationen wurden mit experimentellen Daten verglichen und be-wertet.
Die wesentlichen Erkenntnisse aus dieser Arbeit sind: (1) Ein neues Modell zur Vorher-sage der von Drahtabstandhaltern hervorgerufenen Drall-Strömung wurde vorgeschlagen;(2) Eine neue Korrelation zur Berechnung des Wärmeübergangs bei dreieckig angeordnetenBrennstäben wurde aufgestellt; (3) Das Unterkanalprogramm MATRA wurde angepasst,um die Berechnung von Brennelementen von SFR zu ermöglichen; (4) Eine Kopplungsmeth-ode von ATHLET und OpenFOAM wurde angewandt, um den Phenix “dissymmetrie Test”zu simulieren.