Thermal-hydraulic analysis of ITU triga mark-II reaktör

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, İ.T.Ü. TRIGA Mark-II Reaktörü'nün termal-hidrolik analizi kontrol hacmi yaklaşımı yöntemi kullanılarak bir boyutlu olarak yapılmıştır. Reaktör havuzunun içinde düşey konumda bulunan silindirik yakıt çubuklarmm soğutulması, havuz içerisinde akışkanın ısınması sonucu oluşan yoğunluk farkına dayanan doğal konveksiyonla gerçekleştirilmektedir. Ancak, bu çalışmada reaktör içindeki akış modeli olarak en genel halde çözüm verebilecek bir model öngörülerek doğal ve zorlanmış taşınmam aynı anda dikkate alındığı birleşmiş taşınım esas alınmıştır. Soğutucu akışkana ait enerji korunumu ve momentum dengesi denklemlerinin çözümü eksenel doğrultuda yapılmıştır. Reaktör kalbinde düşey konumda birbirine paralel olarak bulunan yakıt çubukları, soğutucu akışkan için gözenekli bir yapı meydana getirirler. Bu yüzden akışkan akışının termal-hidrolik analizinin yapılması, bazı yaklaşımlar yapılmasını gerekli kılar. Bu çalışmada alt kanal analizi yöntemi kullanılarak, reaktör kalbi bölgesindeki akışkan akışı modellenmiştir. Reaktör kalbinin merkezi etrafında artarda dizili bulunan yakıt halkalarının düzgün geometrisi, bu çalışmada yakıt çubuğu merkezli alt kanal analizi yaklaşımında bulunulmasını sağlayan en önemli etken olmuştur. Bu sayede akış alam, hidrolik çap, yakıt çubuklanmn sürtünme yüzeyleri gibi termal-hidrolik analiz esnasında belirlenmesi gereken pek çok parametre kolayca tayin edilmiştir. Ayrıca, yakıt çubuğu halkalarının her konumunda basınç, hız gibi özeliklerin açısal doğrultuda değişmediği öngörüsü yapılmış ve böylece pek çok parametre kolayca belirlenmiştir. Soğutucu akışkanın modellenmesi, eksenel doğrultuda bir boyutlu olarak yapılmış, ayrıca seçilen alt kanallar arasmda çapsal doğrultudaki kütle, momentum ve enerji geçişinin etkisi ihmal edilmiştir. Soğutucu akışkana ait eksenel doğrultudaki enerji korunumu ve momentum dengesi denklemlerinin çözümlenmesi esnasında yakıt çubuklarından soğutma suyuna yapılan ısı transferi hesaplanarak dikkate alınmıştır. Yakıt çubuklarından soğutucu akışkana olan ısı transferinin hesaplanması ise bu yakıt çubuklanndaki hacimsel ısı kaynağı teriminin belirlenerek yakıt içerisinde radyal doğrultudaki ısı iletimi denkleminin çözümlenmesini gerektirir.Bu çalışmada yukarıda özetle açıklanan nedenlerle, incelenen akışkan için enerji korunumu ve momentum dengesi denklemlerinin eksenel doğrultuda; ayrıca yakıt çubukları için ısı iletimi denkleminin çapsal doğrultuda integralleri alındıktan sonra kontrol hacmi varsayımı altında sonra aynklaştınlmalan yapılmıştır. Aynklaştırma işlemleri tamamlanarak elde edilen cebirsel denklem seti SIMPLE Algoritması 'na göre çözümleme yapmak üzere geliştirilen bir FORTRAN programı vasıtası ile çözülmüştür. Böylece, hem daimi rejimde, hem de geçici rejimde yakıt çubuklarının ve soğutucu akışkanın sıcaklık dağılımı ve bunun yam sıra soğutucu akışkana ait hız, basınç ve sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. L XI

SUMMARY In this study, a transient, one-dimensional thermal-hydraulic analysis for ITU TRIGA Mark-II Reactor was achieved. The cooling principle of TRIGA Mark-II is based on natural convection. However, mixed convection has been considered for the modeling of this study in order to have a general usage purpose. The parallel fuel rods in vertical position form a porous structure for the coolant fluid. The fluid, flowing among this porous media impels us to apply an approach so as to achieve the thermal-hydraulic analysis. We have employed a subchannel analysis in this study because the regular geometry of the fuel rings provides us simplicity during the application. By this way, several parameters of the fluid (i.e. flow area, hydraulic diameter, power density, etc.) can easily be determined and used safely during the thermal-hydraulic analysis. After the integration of the governing equations, the one dimensional conservation of energy equation, momentum balance equation in axial direction, and one dimensional heat conduction equation in radial direction have been discretized. by using the control volume approach to obtain a set of algebraic governing equations. Then, a pressure correction equation has been derived by the aid of the discretized continuity and momentum balance equations. Finally a FORTRAN programme has been developed to solve this set of algebraic equations by using SIMPLE algorithm. Hence, the temperature distribution of the cooling fluid and fuel rods have been determined. Additionally, the velocity and pressure distribution of the coolant has been designated. Xll