Kullanılmış nükleer yakıt depolama kabının ısıl analizi
Thermal analysis of spent nuclear fuel storage cask
Yazar: AÇELYA DENİZ GÖKSELKINAV
Danışman: DOÇ. DR. ŞULE ERGÜN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Termal analiz = Thermal analysis

Özet:
Bu çalışmada, TN-24P tipi kullanılmış nükleer yakıt depolama kabı için, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak ısıl analiz yapılmıştır. Bu analiz için, depolama kaplarının ısıl davranışlarının gerçekçi bir şekilde gösterilmesi amacıyla sonlu hacim çözüm metodu içeren ANSYS Fluent kullanılmıştır. Fluent ile yapılan hesaplamalar durağan ve zamana bağlı (kaza) durumların benzeşimi için yapılmış, durağan durum benzeşiminden elde edilen sonuçlar, TN-24P kabı için yapılan deneysel çalışmanın verileriyle karşılaştırılmıştır.
Bu tezde modellenen deneysel çalışma göz önünde bulundurularak, analizler, Basınçlı Su Reaktörleri'nden (PWR) çıkarılan kullanılmış yakıtlar modellenerek yapılmıştır. Modelde, TN-24P kabına yüklenmiş 24 tane PWR kullanılmış yakıt demeti bulunmaktadır. Kullanılmış nükleer yakıt depolama kap tasarımının, standart Westinghouse 15x15 yakıt çubukları tasarımına benzer olduğu kabul edilmiş olup, çubuklar 3x3 demetler haline getirilerek modellenmiştir.
Kaptaki toplam ısı üretimi 20,6 kW'tır. Eksenel güç profilini girmek için gerekli olan hesaplanmış ısı akısı değeri, bir Kullanıcı Tanımlı Fonksiyon tanımlanarak üretilmiştir.
Tipik TN-24P kuru depolama kabı sistemi içinde iç içe geçmiş iki kap bulunmaktadır. İç ve dış kap arasında hava bulunmaktadır. Hava giriş bölümü, kabın altında; hava çıkışı kabın üstündedir. Bu bölgede, akış türbülanslıdır ve çalışmada türbülansın benzeşimi standart k-ε modeli kullanılarak yapılmıştır.
Yakıt depolama alanı (iç kap), kullanılmış nükleer yakıt çubuklarını soğutmak için Helyum gazı ile doludur. Kapta ısı transferi; Helyumdan sepete ısı iletimi ile doğal taşınıma dayalı yer çekimiyle ve karışık geometrideki ısıl radyasyon ile meydana gelmektedir.
Bu yakıt depolama alanı bölgesinin benzeşimi için, Boussinesq yaklaşımı ile laminar akış modeli, doğal taşınımı modellemede kullanılmıştır.
Isıl radyasyon hesaplaması için, Ayrık Ordinatlar modeli seçilmiştir.
Bu çalışmada yapılan analizler, küçük ve tam ölçekli model benzeşimlerini içerir. Küçük ölçekli model benzeşimi, ağ oluşturmayı kolaylaştırmak ve deneysel verileri kullanarak analiz araçlarını doğrulamak için yapılmıştır. Tam ölçekli modellemede, ızgara duyarlılığını belirlemek üzere 2 milyon ve 4 milyon ızgara tanımlanarak hesaplama yapılmıştır.
Kuru depolama kabı analizinde kaza olması durumu da modellenmiştir. Bu çalışmada, kabın sıcaklığında artışa neden olan hava tıkanıklığı kazasının benzeşimi yapılmıştır.

Abstract:
In this study, thermal analysis was performed for the TN-24P cask by using Computational Fluid Dynamics method. For the analysis, ANSYS Fluent as a CFD tool was selected since it has the proper finite volume methods to realistically simulate the thermal behavior of storage casks. The calculations performed with Fluent involve both steady state and transient (accident) simulations and the results of steady state calculations were compared with the data of the experiments related with the TN-24P storage casks.
In this study, by taking the simulated experimental study into account, for the analysis, spent fuels discharged from pressurized water reactors (PWRs) were modeled. In the model, there are 24 PWR spent fuel assemblies loaded in the TN-24P cask. The fuel design is assumed to be similar to the standard Westinghouse 15x15 rod design and spent nuclear fuels were lumped 3x3 on modeling.
Total heat (decay) generated in the cask was estimated to be 20.6 kW. To input the axial power profile required to calculate the heat flux, a User Defined Function was generated.
Fuel storage space (canister) is filled with Helium gas to cool spent nuclear fuel. In the cask, heat transfer occurs through the heat conduction by helium and basket, natural circulation driven by gravity, and thermal radiation in the complex geometry.
In the canister region, laminar flow model with Boussinesq approximation is used to simulate the natural circulation.
For thermal radiation, the Discrete Ordinates model was used.
In typical vertical TN-24P dry storage cask system there are two nested cask. Between inner and outer cask is in the air. Air inlet section is at the bottom side of cask and outlet ventilation is at top of cask. At this region, flow is turbulent and turbulence is modeled by using standard k-ε model.
The analysis includes small scaled and full scaled model. Small scale model was used to make grid generation easier and to validate the analysis tools using the experimental data. Mesh sensitivity was analyzed by performing steady state calculations with models having 2 million and 4 million meshes.
For the dry cask analysis, simulation of accident conditions is required. In this study, air blockage accident which causes increase in the temperatures in the cask is also simulated.