HIRES – High-resolution CFD grade Experiments for low-Pr number flows in Fuel Assemblies of liquid metal cooled Reactors

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502338

Description succincte (Anglais)

Advances in CFD-based predictive modelling of thermal hydraulic performance of advanced reactors using liquid metals as coolant has been hindered by the lack of sufficiently high-resolution measurements to evaluate and improve the modelling of turbulent heat transport. The proposed work will provide a comprehensive set of carefully coordinated separate effects experiments aimed at fully characterizing turbulent heat transport in low Prandtl number coolants in wire wrapped fuel assembly geometries used in liquid metal cooled fast reactors. Ultimate goal of the experimental campaign is to address the knowledge gap on the occurrence of hot spots in the fuel assemblies of liquid metal cooled reactors and provide unique high-resolution data for the validation and further advancement of high-fidelity CFD (Computational Fluid Dynamics) models.

Description succincte (Italien)

I progressi nella simulazione delle prestazioni termoidrauliche dei reattori avanzati che utilizzano metalli liquidi come refrigerante sono stati ostacolati dalla mancanza di misure sufficientemente ad alta risoluzione per valutare e migliorare la modellazione del trasporto di calore in flusso turbulento con modelli di fluidodinamica computazionale.Il lavoro proposto fornirà una serie completa di esperimenti ad effetti separati volti a caratterizzare completamente il trasporto di calore in flusso turbolento per refrigeranti a basso numero di Prandtl in geometrie di combustibile avvolto in filo metallico utilizzate nei reattori veloci raffreddati a metallo liquido. L'obiettivo finale della campagna sperimentale è colmare il divario di conoscenza sulla presenza di alte temperature nel combustibile dei reattori raffreddati a metallo liquido e fornire dati unici ad alta risoluzione per la validazione e l'ulteriore avanzamento della fluidodinamica computazionale.

Rapport final (Allemand)

Das HIRES-Projekt zielt darauf ab, die Lücke bei hochauflösenden Daten zu Mischungs- und Geschwindigkeitsfeldern in Geometrien und Bedingungen zu schliessen, die für flüssigmetallgekühlte schnelle Reaktoren relevant sind. Das letztendliche Ziel besteht darin, die Daten zur Validierung von CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics) zu verwenden, damit diese zur Bewertung von Entwürfen flüssigmetallgekühlter schneller Reaktoren verwendet werden können.

Es wurden drei experimentelle Aufbauten entworfen und gebaut:

• Die erste Anlage diente der Untersuchung der Vermischung von nach oben gerichteten Jets in gleichförmigen und geschichteten Umgebungen, was für Flüssigmetall-Schnelle Reaktoren vom Pooltyp relevant ist. Diese Aufgabe erforderte die Entwicklung eines neuartigen analytischen Modells zur Vorhersage der Brechungsindizes von Fluidgemischen, damit hochauflösende optische Messverfahren bei Dichteunterschieden angewendet werden können.
• Die zweite Anlage konzentrierte sich auf die Untersuchung des Auftretens von Brennstoffhüllen-Hotspots, die durch das Vorhandensein von Drahtwicklungen verursacht werden, die typisch für flüssigmetallgekühlte Brennelementkonstruktionen sind. Die Bedingungen, unter denen Hotspots auftreten können, wurden identifiziert. Die experimentellen Daten wurden zur Validierung von Rechenmodellen verwendet. Diese wurden in Kombination mit den experimentellen Daten verwendet, um optimale Drahtwicklungsgeometrien zu definieren, um das Auftreten von Hotspots zu verringern.
• Schliesslich wurde eine dritte Versuchsanlage entworfen, um das potenzielle Auftreten von Brennstab-Ausfallkaskaden in bleigekühlten schnellen Reaktoren zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die Freisetzung von Spaltgas aus einem ausgefallenen Brennstab das grösste Risiko für benachbarte Brennstäbe darstellt. Insbesondere hat die Hochgeschwindigkeitsbildgebung gezeigt, dass das Blasenwachstum, das sich zunächst auf einen einzelnen Punkt beschränkt, das Potenzial hat, benachbarte Brennstäbe zu umgeben, was zu einer möglichen Ausbreitung des Brennstabversagens führt.

 

Rapport final (Anglais)

The HIRES project aims at filling the gap of high resolution data needs on mixing and velocity field in geometries and conditions relevant for liquid-metal-cooled fast reactors. The ultimate goal is to use the data to validate computational fluid dynamics models, so that they can be used to to assess designs of liquid-metal-cooled fast reactors.

Three experimental setups have been designed and built:

• the first facility was aimed at the investigation of mixing of buoyant jets in the presence of uniform and stratified environments, of relevance for pool-type liquid metal fast reactors. This task required the development of a novel analytical models to predict refractive indices of fluid mixtures, so that high-resolution optical measurement techniques could be applied in the presence of density differences;
• the second facility was focused on the investigation of the occurrence of fuel cladding hot spots caused by the presence of wire-wrap, typical of liquid-metal-cooled fuel assemblies designs. The conditions at which hot spots can occur were identified. The experimental data have been used to validate computational models. Those, in combination with the experimental data, have been used to define optimal wire-wrap geometries to mitigate the occurrence of hot spots.
• Finally, a third experimental facility was designed to investigate the potential occurrence of fuel pins failure cascades in lead cooled fast reactors. It was found that the release of fission gas from a failed pin poses the greatest risk to adjacent fuel pins. In particular, high-speed imaging has revealed that bubble growth initially localized to a single spot, has the potential to surround adjacent fuel pins, leading to potential pins failure propagation.

Documents annexés

• Final report [PDF] 5'056 kB

Rapport final (Français)

Le projet HIRES vise à combler le manque de données à haute résolution sur les champs de mélange et de vitesse dans des géométries et des conditions pertinentes pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis par métal liquide. L'objectif final est d'utiliser les données pour valider les modèles de calcul de la dynamique des fluides, afin qu'ils puissent être utilisés pour évaluer les conceptions des réacteurs rapides refroidis par métal liquide.

Trois installations expérimentales ont été conçues et construites :

• la première installation visait à étudier le mélange de jets flottants en présence d'environnements uniformes et stratifiés, ce qui est important pour les réacteurs rapides à métal liquide de type piscine. Cette tâche a nécessité le développement de nouveaux modèles analytiques pour prédire les indices de réfraction des mélanges de fluides, de sorte que des techniques de mesure optique à haute résolution puissent être appliquées en présence de différences de densité ;
• la deuxième installation était axée sur l'étude de l'apparition de points chauds dans les gaines de combustible causés par la présence de fils métalliques, typiques des conceptions d'assemblages de combustible refroidis par métal liquide. Les conditions dans lesquelles les points chauds peuvent se produire ont été identifiées. Les données expérimentales ont été utilisées pour valider les modèles de calcul. Ceux-ci, en combinaison avec les données expérimentales, ont été utilisés pour définir les géométries optimales du wire-wrap afin d'atténuer l'apparition de points chauds.
• Enfin, une troisième installation expérimentale a été conçue pour étudier l'apparition potentielle de cascades de défaillances des broches de combustible dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb. Il a été constaté que la libération de gaz de fission par une broche défaillante constitue le plus grand risque pour les broches de combustible adjacentes. En particulier, l'imagerie à grande vitesse a révélé que la croissance des bulles, initialement localisée à un seul endroit, peut entourer les goupilles de combustible adjacentes, entraînant une propagation potentielle de la défaillance des goupilles.