The thermal hydraulic performances of Steam Generator (SG) under both steady and transient operation conditions are of great importance for the safety and economy in nuclear power plants. In this paper, based on our self-developed SG thermal hydraulic analysis code STAF (Steam-generator Thermalhydraulic Analysis code based on Fluent), an improved new version STAF-CT (fully Coupling and Transient) is developed and introduced. Compared with original STAF, the new version code STAF-CT has two main functional improvements including "Transient" and "Fully Three Dimensional Coupling" features. In STAF-CT, a three dimensional energy transferring module is established which can achieve energy exchange computing function at the corresponding position between two sides of SG. The STAF-CT is validated against the international benchmark experiment data and the results show great agreement. Then the U-shaped SG in AP1000 nuclear power plant is modeled and simulated using STAF-CT. The results show that three dimensional flow fields in the primary side make significant effect on the energy source distribution between two sides. The development of code STAF-CT in this paper can provide an effective method for further SG high fidelity research in the nuclear reactor system.
Reactor fuel's power distribution plays a vital role in designing the new generation thermionic Space Reactor Power Systems (SRPS). In this paper, the 1/12th SPACE-R's full reactor core was numerically analyzed with two kinds of different axial power distribution, to identify their impacts on thermal-hydraulic and thermoelectric characteristics. In the benchmark study, the maximum error between numerical results and existing data or design values ranged from 0.2 to 2.2%. Four main conclusions were obtained in the numerical analysis: a) The axial power distribution has less impact on coolant temperature. b) Axial power distribution influenced the emitter temperature distribution a lot, when the core power was cosine distributed, the maximum temperature of the emitter was 194 K higher than that of the uniform power distribution. c) Comparing to the cosine axial power distribution, the uniform axial power distribution would make the maximum temperature in each component of the reactor core much lower, reducing the requirements for core fuel material. d) Voltage and current distribution were similar to the axial electrode temperature distribution, and the axial power distribution has little effect on the output power.
Chunhui Dong;Shikang Chen;Ronghua Chen;Wenxi Tian;Suizheng Qiu;G.H. Su
Nuclear Engineering and Technology
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제55권8호
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pp.2997-3009
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2023
The Passive containment Air-cooling System (PAS) can effectively remove the decay heat of the modular small nuclear reactor after an accident. The details of natural convection around the dome, which is a key part of PAS, were investigated numerically in the present study. The thermal dynamics around the dome were studied through the temperature, pressure and velocity contours and the streamlines. Additionally, the formation of the buoyant plume at the top of the dome was investigated. The results show that with the increase of Ra, the lift-off point moves toward the bottom of the dome, and the eddy under the buoyant plume grows larger gradually, which enhances the heat transfer. And the heat transfer along the dome surface with different truncation angles was investigated. As the angle increases, the heat transfer coefficient becomes stronger as well. Consequently, a newly developed heat transfer correlation considering the influence of truncation angle for the dome is proposed based on the simulated results. This study could provide a better understanding of natural convection around the dome of PAS and the proposed correlation could also offer more predictive value in the improvement of nuclear safety.
Jet impinging device is designed for decay heat removal on horizontal fuel rods in a low temperature heating reactor. An experimental system with a fuel rod simulator is established and experiments are performed to evaluate water film covering capacity, within 0.0287-0.0444 kg/ms mass flow rate, 0-164.1 kW/m2 heating flux and 13.8-91.4℃ feeding water temperature. An effective method to obtain the film coverage rate by infrared equipment is proposed. Water film flowing patterns are recoded and the film coverage rates at different circumference angles are measured. It is found the film coverage rate decreases with heating flux during single-phase convection, while increases after onset of nucleate boiling. Besides, film coverage rate is found affected by Marangoni effect and film accelerating effect, and surface wetting is significantly facilitated by bubble behavior. Based on the observed phenomenon and physical mechanism, dry-out depth and initial dry-out rate are proposed to evaluate film covering potential on a heating surface. A model to predict film coverage rate is proposed based on the data. The findings would have reliable guide and important implications for further evaluation and design of decay heat removal system of new reactors, and could be helpful for passive containment cooling research.
In Lead-based reactor (LBR) severe accident, the meltdown and migration inside the reactor core will lead to fuel fragment concentration, which may further cause re-criticality and even core disintegration. Accurately predicting the migration and solidification behavior of melt in LBR severe accidents is of prime importance for safety analysis of LBR. In this study, the Moving Particle Semi-implicit (MPS) method is validated and used to simulate the migration and solidification behavior. Two main surface tension models are validated and compared. Meanwhile, the MPS method is validated by the L-plate solidification test. Based on the improved MPS method, the migration and solidification behavior of melt in LBR severe accident was studied furthermore. In the Pb-Bi coolant, the melt flows upward due to density difference. The migration and solidification behavior are greatly affected by the surface tension and viscous resistance varying with enthalpy. The whole movement process can be divided into three stages depending on the change in velocity. The heat transfer of core melt is determined jointly by two heat transfer modes: flow heat transfer and solid conductivity. Generally, the research results indicate that the MPS method has unique advantage in studying the migration and solidification behavior in LBR severe accident.
Experiments of vertically upward steam-water two-phase flow have been carried out in single-side heated narrow rectangular channel with a gap of 3 mm. Flow patterns were identified and classified through visualization directly. Slug flow was only observed at 0.2 MPa but replaced by block-bubble flow at 1.0 MPa. Flow pattern maps at the pressure of 0.2 MPa and 1.0 MPa were plotted and the difference was analyzed. The experimental data has been compared with other flow pattern maps and transition criteria. The results show reasonable agreement with Hosler's, while a wide discrepancy is observed when compared with air-water two-phase experimental data. Current criteria developed based on air-water experiments poorly predict bubble-slug flow transition due to the different formation and growth of bubbles. This work is significant for researches on heat transfer, bubble dynamics and flow instability.
High fidelity nuclear reactor fuel assembly simulation using CFD method is an effective way for the structure design and optimization. The validated models and user practice guidelines play critical roles in achieving reliable results in CFD simulations. In this paper, the international benchmark MATiS-H is studied carefully and the best user practice guideline is achieved for the rod bundles simulation. Then a 5 × 5 rod bundles model in the advanced pressurized water reactor (PWR) is established and the detailed three-dimensional thermal-hydraulic characteristics are investigated. The influence of spacer grids and mixing vanes on the flow and hear transfer in rod bundles is revealed. As the coolant flows through the spacer grids and mixing vanes in the rod bundles, the drastic lateral flow would be induced and the pressure drop increases significantly. In addition, the heat transfer is enhanced remarkably due to the strong mixing effects. The calculation results could provide meaningful guidelines for the design of advanced PWR fuel assembly.
A dryout mechanism model for rectangular narrow channels at high pressure conditions is developed by assuming that the Kelvin-Helmholtz instability triggered the occurrence of dryout. This model combines the advantages of theoretical analysis and empirical correlation. The unknown coefficients in the theoretical derivation are supported by the experimental data. Meanwhile, the decisive restriction of the experimental conditions on the applicability of the empirical correlation is avoided. The expression of vapor phase velocity at the time of dryout is derived, and the empirical correlation of liquid film thickness is introduced. Since the CHF value obtained from the liquid film thickness should be the same as the value obtained from the Kelvin-Helmholtz critical stability under the same condition, the convergent CHF value is obtained by iteratively calculating. Comparing with the experimental data under the pressure of 6.89-13.79 MPa, the average error of the model is -15.4% with the 95% confidence interval [-20.5%, -10.4%]. And the pressure has a decisive influence on the prediction accuracy of this model. Compared with the existing dryout code, the calculation speed of this model is faster, and the calculation accuracy is improved. This model, with great portability, could be applied to different objects and working conditions by changing the expression of the vapor phase velocity when the dryout phenomenon is triggered and the calculation formula of the liquid film.
Flow blockage of the fuel assembly in the lead-based fast reactor (LFR) may produce critical local spots, which will result in cladding failure and threaten reactor safety. In this study, the flow blockage characteristics were analyzed with the sub-channel analysis method, and the circumferentially-varied method was employed for considering the non-uniform distribution of circumferential temperature. The developed sub-channel analysis code SACOS-PB was validated by a heat transfer experiment in a blocked 19-rod bundle cooled by lead-bismuth eutectic. The deviations between the predicted coolant temperature and experimental values are within ±5%, including small and large flow blockage scenarios. And the temperature distributions of the fuel rod could be better simulated by the circumferentially-varied method for the small blockage scenario. Based on the validated code, the analysis of blockage characteristics was conducted. It could be seen from the temperature and flow distributions that a large blockage accident is more destructive compared with a small one. The sensitivity analysis shows that the closer the blockage location is to the exit, the more dangerous the accident is. Similarly, a larger blockage length will lead to a more serious case. And a higher exit temperature will be generated resulting from a higher peak coolant temperature of the blocked region. This work could provide a reference for the future design and development of the LFR.
Deeply understanding the phase change of thin liquid sodium film inside wick pore is very important for further studying high-temperature sodium heat pipe's heat transfer. For the first time, the evaporation and condensation of thin liquid sodium film are investigated by the Lennard-Jones potential of molecular dynamics. Based on the startup and normal operation of the sodium heat pipe, three different cases are simulated. First, the equilibrium is achieved and the Mass Accommodation Coefficients of the three cases are 0.3886, 0.2119, 0.2615 respectively. Secondly, the non-equilibrium is built. The change of liquid film thickness, the number of gas atoms, the net evaporation flux (Jnet), the heat transfer coefficient (h) at the liquid-gas interface are acquired. Results indicate that the magnitude of the Jnet and the h increase with the basic equilibrium temperature. In 520-600 K (the startup of the heat pipe), the h has approached 5-6 W m-2 K-1 while liquid film thickness is in 11-13 nm. The fact shows that during the initial startup of the sodium heat pipe, the thermal resistance at the liquid-gas interface can't be negligible. This work is the complement and extension for macroscopic investigation of heat transfer inside sodium heat pipe. It can provide a reference for further numerical simulation and optimal design of the sodium heat pipe in the future.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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