Published 2023 | Version v1
Journal article

Consistent simulation of thermal and neutronic parameters in a core of supercritical water reactor

  • 1. A.I. Leipunsky Institute of Physics and Power Energy, Obninsk (Russian Federation)
  • 2. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Science, Moscow (Russian Federation)
  • 3. Moscow Institute of Physics and Technology, Moscow (Russian Federation)

Description

The paper deals with extended validation of the FRC-SCP module and its coupling to the neutron transport code KIR. The software module FRC-SCP performs thermohydraulic simulation of a coolant under supercritical pressure (SCP) and a cooled fuel rod. The software package KIR solves accurately steady-state and time-dependent neutron transport equations using Monte Carlo method. SCP coolant under pseudophase transition exhibits specific behavior as its density and heat transfer coefficient change significantly. Existing feedback dependencies on coolant density and fuel temperature are important for the nuclear safety analysis of the reactor. To solve thermohydraulic and neutron transport problems consistently the codes FRC-SCP and KIR are combined into the KIR-TH complex. We discuss various iteration procedures to solve the coupled problems. Iterations involve heat generation profile as well as thermal state of a fuel rod and a coolant including its density. Test calculations for a fuel rod cooled by SCP water show that the KIR-TH complex is capable of coupled thermal and neutron transport simulation. The paper also covers the Grass heat transfer correlation which is built up-on physical considerations and its application to heat transfer analysis. We present the extended validation against experiments on the heat transfer to SCP water in heated tubes for various thermal parameters. It shows a good agreement between calculations and measurements under normal heat transfer conditions when Kurganov, Deev, or Grass correlations are used. The study reveals the possibility of consistent thermal and neutron simulation for SCP water reactor including the conditions of pseudophase transition.

Abstract (Russian)

Работа посвящена дополнению матрицы верификации и валидации модуля ТК-СКД и реализации его сопряжения с нейтронно-физическим кодом КИР. Программный модуль ТК-СКД предназначен для моделирования теплофизического состояния теплоносителя сверхкритического давления (СКД) и охлаждаемого им твэла. Особенностью теплоносителя со сверхкритическими параметрами является существенное изменение его плотности и коэффициента теплоотдачи при прохождении области псевдофазового перехода. Программный комплекс КИР используется для получения прецизионного решения стационарного и нестационарного уравнения переноса нейтронов на основе метода Монте-Карло. Имеющиеся обратные связи по влиянию температуры топлива и плотности теплоносителя на нейтронно-физические характеристики важны для обоснования ядерной безопасности реактора. Для моделирования обратных связей на основе программ ТК-СКД и КИР разработан комплекс КИР-ТГ, обеспечивающий проведение согласованных теплогидравлических и нейтронно-физических расчётов. Обсуждаются различные итерационные методы для совместного решения теплофизической и нейтронно-физической задачи. Итерации проводятся по профилю тепловыделения и теплофизическому состоянию твэла и теплоносителя, включая его плотность. Представлены демонстрационные расчеты состояния теплоносителя и профиля тепловыделения по комплексу КИР-ТГ для условий СКД, показывающие его работоспособность. В работе также обсуждается замыкающее соотношение Грасса по теплоотдаче, основанное на физических принципах, и результаты его применения для моделируемых экспериментов. Представлено расширенное cравнение с данными по экспериментам с обогреваемыми трубами и теплоносителем СКД для различных условий теплоотдачи, показавшее хорошее согласие результатов расчёта и экспериментов в условиях нормальной теплоотдачи при использовании замыкающих соотношений Курганова, Деева или Грасса. Результаты проведенных исследований показали возможность согласованного моделирования теплофизических и нейтронно-физических процессов в реакторе с водой СКД, в том числе в области псевдофазового перехода.

Additional details

Additional titles

Original title (Russian)
Согласованное моделирование тепловых и нейтронно-физических параметров в активной зоне реактора с водяным теплоносителем сверхкритического давления

Publishing Information

Journal Title
Voprosy Atomnoj Nauki i Tekhniki. Seriya: Yaderno-Reaktornye Konstanty
Journal Issue
no.3
Journal Page Range
p. 100-114
ISSN
2414-1038

Optional Information

Notes
24 refs., 7 figs., 1 tab.