Investigation Of Mass Transfer At Nuclear Power Reactor Cooling Channels

Abstract

In this study, mass transfer in the nuclear reactor cooling channels are simulated by the subchannel analysis code COBRA-PC4. In order to perform this simulation, the COBRA-IV-I code should be adapted into available computer media. Original COBRA-IV-I code is obtained from OECD NEA Databank in the format compatible for IBM mainframe computers. Then the adaptation work is performed to obtain an IBM PC compatible COBRA-PC4 code. After obtaining PC compatible code, simulation step is started for subchannels. Three kinds of experimental setup are simulated with fourteen different cases, and the results compared with the experimental data. As the final stage of this work, predictive experimental cases are simulated in order to give the predictive data to the future experimental studies.

Bu çalışmada, nükleer reaktör soğutma kanallarındaki kütle transferi alt-kanal analiz programı olan COBRA-PC4 ile incelenmiştir. Bu tür bir çalışma yapılabilmesi için, öncelikle, alt-kanal çözümlemesi yöntemi ile hesap yapan bir bilgisayar programı gerekmektedir. Altkanal çözümlemesi, bugüne dek en çok kullanılan yöntemdir. THI-3D, SABRE-1, HAMBO, THINC, ASSERT-4 ve COBRA-IV-I bu yöntemi kullanan programlardır. Bu programların en başarılılarından olan COBRA-IV-I bu çalışma için seçilmiştir. COBRA- IV-I bilgisayar programı alt-kanal analizi metodu ile bir ya da daha çok alt-kanal üzerinde hesap yapabilme yeteneğine sahiptir. Programın bu yeteneğini kullanılarak nükleer reaktör soğutma kanallarındaki kütle transferi problemi modellenip benzetimi yapılabilmektedir. I Altkanal çözümlemesi, temel olarak, çubuk eksenlerine paralel hızların, çubuk eksenlerine dik (transvers) hızlara oranla çok büyük olduğu kabulüne- dayanır. Bu kabulle, herbir altkanal için, komşu altkanallara kütle, momentum ve enerji alış verişlerini de içinde bulunduran korunum denklemleri yazılır. Bir altkanal içinde transvers doğrultuda akışta ve fiziksel özelliklerde bir değişim olmadığı kabul edilir ve eksenel doğrultuda bütün kanal Ax sonlu aralıklara bölünerek sonlu fark denklemleri elde edilir. Altkanal çözümlemesinde kullanılan bazı terimler: Altkanal akış debisi: Altkanaldan eksenel yönde geçen debi. Bir altkanal içinde eksenel doğrultuda değişebilir. xıı Saptırılmış akış debisi: İki altkanalın sınırını geçen, transvers doğrultuda net akan kütlesel debi. Bu akış tek yönlüdür ve iki altkanal arasındaki basınç farkından veya altkanal içindeki saptırıcı kanatlardan meydana gelir. (COBRA programında bu büyüklüğün birim uzunluk başına olan miktarı kullanılmıştır). Türbülans karışımı: Transvers doğrultuda debinin çalkanan bileşenidir, tki kanalın arayüzünde net olarak sıfırdır. Dolayısıyla kütlenin korumuna etki etmez, fakat momentum ve enerji alış-verişine etki eder. COBRA-IV-I bigisayar programı, nükleer yakıt elemanları (yakıt çubuğu demetleri) içinde, sürekli ve geçici rejimde, entalpi ve debilerin değişimlerini ve dağılımları hesaplar. Bu programın özellikleri şunlardır:. Altkanallar arasında türbülans karışımı ve sapatırılmış akış gözönüne alınır. Saptırılmış akış debsi, altkanal debisi yanında çok küçüktür.. Herbir altkanalda iki fazlı, kayan akış gözönüne alınır ve tek boyutta (eksenel yönde, yani altkanal boyunca) çözüm yapılır.. Fazların homojen karışmış ve termal dengede oldukları kabul edilmiştir. Entalpinin, altkanal debisinin, ısı akısının, I basıncın, konumun ve zamanın fonksiyonu olan bir boşluk oranı tanımlanmıştır. Herbir fazın özellikleri altkanal içinde transvers doğrultuda uniform alınmıştır. Bilindiği gibi, halkasal akışta cidara komşu olan suyun hızı, buhar fazının içinde sürüklenmekte oaln su zerrelerinin hızıdan önemli ölçüde küçüktür.. Geçici rejim hesaplamalarında alınan zaman aralıkları, ses dalgasının kanalı geçmesi için gereken süreden daha büyük alınarak, ses dalgasının yayılma etkisi hesaba katılmamıştır.. Kullanılan çözüm yöntemiyle bir sınır değer probleminin çözümü yapılır. Sınır şartları, girişteki altkanal debisi ve çapraz akış debisi, çıkıştaki basınçtır.. Konum ve zaman adımlarının seçiminde, çözümün kararlılığının sağlanması için gereken hiç bir sınırlama yoktur. xııı . Probleme uygun olarak programın boyutları d e ğ i ş t i t i r i 1 e b i 1 i r.. Akış önündeki kısmi engeller, yön değiştirici kanatlar ve çubukların etrafına sarılmış olan tel sargılar hesaba katılabilir.. Güç yoğunluğunun belirlenmesi durumunda, yakıt ve zarf sıcaklıkları, yakıt çubuğu için seçilmiş olan bir modelle hasaplanır.. Komşu altkanallar arasında bir türbülans karışımı gözönüne alınır. Net türbülans karışımı sıfırdır ve saptırılmış akışa ilave bir etki yapar. Sonuçta bu iki çapraz süperpoze edilebilirler.. Denklemlerin çözümünde bazı ampirik bağıntılar kullanılmaktadır. Programın yazıldığı zamana kadar yapılmış olan deneyler ve elde edilen ampirik bağıntılar yeterli olmadığından bazı kabuller yapılmıştır. Kullanılan ampirik bağıntılar ve yapılan kabuller bir hata içerdiğinden, çözüm üzerine etkileri tartışmalıdır.. Programda kullanılan ampirik bağıntılar; sürtüme katsayısı korelasyonu, aşırı soğuk sıvı kaynama boşluk oranı korelasyonu, iki faz sürtme çarpanı korelasyonu, iki faz boşluk oranı korelasyonu, tek faz karışım korelasyonu, iki faz karışım korelasyonu, konumlandırıcılar için basınç kaybı korelasyonları, ısı transferi korelasyonları, konumlandırıcılarda meydana gelen saptırılmış akış, saptırılmış akış direnç katsayısıdır.. Enerji ve momentum korunumu denklemlerinde görülen h ve u, çapraz akışta hakim olan kanalın, entalpisi ve hızı olarak alınmaktadır. İTÜ Nükleer Enerji Enstitüsü bilgisayarlarında, çalışan bir ÇOBRA-IV-I programı bulunmadığından, program OECD NEA Databa'nk'ından alınarak uygun bilgisayar ortamına aktarılmış ve çalıştırılmıştır. Orijinal program IBM mainframe bilgisayarlarına uygun olarak hazırlanmış şekli ile Databank'tan alındığından, IBM PC xıv uyumlu bilgisayarlarda çalışabilmesi için uyarlanması gerekmiştir. Bu işlem yerine getirilirken COBRA-PC4 programı oluşturulmuştur. Bu program PC üzerindeki DOS, WINDOWS ve OS/2 işletim sistemlerinde denenmiş ve en uygun ortamın WINDOWS ortamı olguğuna karar verilmiştir. Windows ortamı DOS ortamı gibi aktif bellek kullanımını 640 KB ile sınırlamadığından COBRA-PC4 programı istenilen giriş koşullarında çal ıştırılab i İm iştir. Bu aşamadan sonra, deneysel sonuçlarla COBRA-PC4 programının doğruluğunun kontrolüne başlandı. Bunun için ondört ayrı durum kullanılmıştır. Bu durumlar aşağıda gösterilmiştir:. Tek fazlı deneysel verilerin elde edildiği düzeneğin geomerisi şu şekildedir: 0.847 m uzunluğunda birbirine bağlantılı iki düşey kanal, bağlantı aralığı 1.52 mm genişliğinde ve 3.17 mm kalınlığında, kanalların hidrolik çapları 12.6 ve 12.5 mm, kesit alanları 166.2 ve 165 mm, tıkanmanın yeri birinci kanalda kanal girişinden 0.327 m içerde.. Tek fazlı akış için, plaka tipi tıkanmada değişik akış hızlarına sahip iki, %29.8 oranında tıkanma ve bir, %59.2 oranında tıkanma, durumu incelenmiş, sonuçlar deney verileri ve COBRA-IIIC sonuçları ile karşılaştırılmıştır.. Tek fazlı akış için, eğimli tipteki tıkanmada bir, %58.6 tıakanma oranında tek parçalı tıkanma ve iki, %64.2 tıkanma oranında iki parçalı tıkanma incelenmiştir.. İki fazlı deneysel verilerin eldeedildiği düzeneğin geomerisi de şu şekildedir: 1.129 m uzunluğunda birbirine bağlantılı iki düşey kanal, bağlantı aralığı 1.52 mm genişliğinde ve 3.17 mm kalınlığında, kanalların hidrolik çapları 12.43 ve 12.55 mm, kesit ' 2 alanları 162.4 ve 165.5 mm, tıkanmanın yeri birinci kanalda kanal girişinden 0.272 m içerde.. İki fazlı akış için, üç adet değişik boşluk oranlarına sahip durum incelenmiştir. Bu incelemede boşluk sürüklenmesinin xv COBRA-PC4 tarafından ne kadar benzetilebildiğine dikkat edilmiştir.. îki fazlı akış için, plaka tipi tıkanmada değişik akış hızlarına sahip üç %31.9 oranında tıkanma ve bir, %61 oranında tıkanma durumu incelenmiş, sonuçlar deney verileri ve COBRA- IIIC sonuçları ile karşılaştırılmıştır. COBRA-PC4 programı ile esas olarak kontrol çalışmaları yapıldıktan sonra, bilgisayar üzerinde deney adı verilebilecek çalışmalara başlandı. Bu aşamada dokuz değişik durum için bilgisayar deneyi yapıldı. Bu deneyler şunlardır:. Geometri olarak iki fazlı akış deneylerinde kullanılan geometri seçilmiştir.. İki fazlı akış, tıkanmasız üç değişik akış şartı için COBRA- PC4 ile inceleme yapılmıştır. İki fazlı akış, plakalı %31.9 oranında tıkanma ve altı değişik akış şartı için inceleme yapılmıştır Bu çalışmadan ileride yapılacak deneylere kaynak olacak sonuçlara ulaşılmıştır. Ayrıca, deney setinin oniki altkanallı bir benzetimi yapılarak soğutucu kanalları incelenmiştir. Bu deney setindeki akış kanalı altı, ısıtıcı çubuk çevresindeki hacimden oluşmaktadır. Elde edilen sonuçlarla, ASSERT programının sonuçları karşılaştırılarak sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür.