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Numerical simulation on self-leveling behavior of mixed particle beds using multi-fluid model coupled with DEM

DEM法と結合させた多流体モデルによる混合粒子ベッドの自己平坦化挙動の数値シミュレーション

Phan, L. H. S.*; 大原 陽平*; 河田 凌*; Liu, X.*; Liu, W.*; 守田 幸路*; Guo, L.*; 神山 健司; 田上 浩孝

Phan, L. H. S.*; Ohara, Yohei*; Kawata, Ryo*; Liu, X.*; Liu, W.*; Morita, Koji*; Guo, L.*; Kamiyama, Kenji; Tagami, Hirotaka

燃料デブリベッドの自己平坦化挙動は、ナトリウム冷却高速炉(SFR)での炉心崩壊事故(CDA)の安全評価における主要現象の1つである。SIMMERコードはSFRのCDA解析のために開発され、安全評価のみならずCDA時の主要な伝熱流動現象の数値解析に適切に適用されてきた。しかしながら、SIMMERの流体モデルは、個々の粒子特性のみならず、粒子間の強い相互作用を表現することは困難である。この問題を解決するため、SIMMERの多流体モデルと粒子に対する個別要素法(DEM)とを結合させた新しい手法を開発し、多相流における流体と粒子との相互作用および粒子挙動を適切に評価することを試みてきた。本研究では、DEMと結合したSIMMERコードの多流体モデルを検証するため、円筒状の粒子ベッドにガスを吹き込んだ自己平坦化試験シリーズの数値シミュレーションを行った。さらに検証を進める必要があるが、シミュレーション結果と試験結果とは適切に一致し、デブリベッドの自己平坦化を評価する手法としての潜在的な可能性を示した。DEMと結合したSIMMERコードは、SFRで粒子ベッドに関する安全評価のための次世代の計算手法として期待される。

Self-leveling behavior of core fuel debris beds is one of the key phenomena for the safety assessment of core disruptive accidents (CDAs) in sodium-cooled fast reactors (SFRs). The SIMMER code has been developed for CDA analysis of SFRs, and the code has been successfully applied to numerical simulations for key thermal-hydraulic phenomena involved in CDAs as well as reactor safety assessment. However, in SIMMER's fluid-dynamics model, it is always difficult to represent the strong interactions between solid particles as well as the discrete particle characteristics. To solve this problem, a new method has been developed by combining the multi-fluid model of the SIMMER code with the discrete element method (DEM) for the solid phase to reasonably simulate the particle behaviors as well as the fluid-particle interactions in multi-phase flows. In this study, in order to validate the multi-fluid model of the SIMMER code coupled with DEM, numerical simulations were performed on a series of self-leveling experiments using a gas injection method in cylindrical particle beds. The effects of friction coefficient on the simulation results were investigated by sensitivity analysis. Though more extensive validations are needed, the reasonable agreement between simulation results and corresponding experimental data preliminarily demonstrates the potential ability of the present method in simulating the self-leveling behaviors of debris bed. It is expected that the SIMMER code coupled with DEM is a prospective computational tool for analysis of safety issues related to solid particle debris bed in SFRs.

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