Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

Tämän diplomityön tarkoituksena on koota tietoa maailmalla meneillään olevista korkealämpötilareaktorihankkeista ja kehittää laskentamenetelmä jäähdytteen virtauksen ja lämmönsiirron tarkastelemiseen kuulakekoreaktorin sydämessä. Alun kirjallisuusosassa selvitetään korkealämpötilareaktorin toimintaperiaatteet, tekniikan nykytaso ja esitellään prosessilämpösovelluksia, joihin reaktorista saatavaa lämpöä voidaan käyttää. Laskentaosaa varten valitaan reaktorikonsepti, josta löytyy tietoa kirjallisuudesta. Laskentaan käytetään kaupallista Fluent-virtauslaskentaohjelmistoa. Kuulakeko oletetaan kiintokerrokseksi, joka aiheuttaa vastustermejä läpi virtaavan kaasun liikemääräyhtälöihin. Kiintokerroksen pakkaustiheydelle käytetään paikasta riippuvaa arvoa. Lämmönsiirron laskemiseen käytetään kahta mallia. Ensimmäisessä kaasu- ja kiintoainefaasille käytetään yhteistä energiayhtälöä olettaen faasien olevan paikallisesti termisessä tasapainossa. Toisessa mallissa molemmilla faaseilla on oma energiayhtälö. Laskentojen tuloksena saadaan tietoa virtauksen käyttäytymisestä ja painehäviöstä, sekä reaktorisydämen lämpötilajakaumasta stationääritilassa. Myös sisääntulomassavirran vaikutusta virtauksen painehäviöön tutkitaan. Tulokset vastaavat kohtuullisen hyvin kirjallisuudessa esitettyjä arvoja ottaen huomioon tehtyjen yksinkertaistusten määrän. Työssä kehitetyillä menetelmillä pystytään ratkaisemaan kuulakekoreaktorien jäähdytevirtausta ja lämmönsiirtoa, joskin lisäkehitystä ja validointia tarvitaan paremman tarkkuuden ja luotettavuuden saavuttamiseksi.