A subchannel analysis code MATRA applicable to PWRs and ALWRs has been developed to be run on an IBM PC or HP WS based on the existing CDC CYBER mainframe version of COBRA-Rf-1. This MATRA code is a thermal-hydraulic analysis code based on the subchannel approach for calculating the enthalpy and How distribution in fuel assemblies and reactor cores for both steady-state and transient conditions. HATRA has been provided with an improved structure, various functions, and models to give more convenient user environment and to enhance the code accuracy. Among them, the pressure drop model has been improved to be applied to non-square-lattice rod arrays, and the models for the lateral transport between adjacent subchannels have been improved to enhance the accuracy in predicting two-phase flow phenomena. The predictions of MATRA were compared with the experimental data on the flow and enthalpy distribution in some sample rod-bundle cases to evaluate the performance of MATRA. All the results revealed that the predictions of MATRA were better than those of COBRA-IV-I.
Yoon, Seok Jong;Kim, Seul Been;Park, Goon Cherl;Yoon, Han Young;Cho, Hyoung Kyu
Nuclear Engineering and Technology
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제50권1호
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pp.54-67
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2018
There have been recent efforts to establish methods for high-fidelity and multi-physics simulation with coupled thermal-hydraulic (T/H) and neutronics codes for the entire core of a light water reactor under accident conditions. Considering the computing power necessary for a pin-by-pin analysis of the entire core, subchannel-scale T/H analysis is considered appropriate to achieve acceptable accuracy in an optimal computational time. In the present study, the applicability of in-house code CUPID of the Korea Atomic Energy Research Institute was extended to the subchannel-scale T/H analysis. CUPID is a component-scale T/H analysis code, which uses three-dimensional two-fluid models with various closure models and incorporates a highly parallelized numerical solver. In this study, key models required for a subchannel-scale T/H analysis were implemented in CUPID. Afterward, the code was validated against four subchannel experiments under unheated and heated single-phase incompressible flow conditions. Thereafter, a subchannel-scale T/H analysis of the entire core for an Advanced Power Reactor 1400 reactor core was carried out. For the high-fidelity simulation, detailed geometrical features and individual rod power distributions were considered in this demonstration. In this study, CUPID shows its capability of reproducing key phenomena in a subchannel and dealing with the subchannel-scale whole core T/H analysis.
The subchannel grade void distributions in the NUPEC (Nuclear Power Engineering Corporation) BFBT (BWR Full-Size Fine-Mesh Bundle Tests) facility were evaluated with the subchannel analysis code MATRA and the system code MARS. Fifteen test series from five different test bundles were selected for an analysis of the steady-state subchannel void distributions. Two transient cases, a turbine trip without a bypass as a typical power transient and a re-circulation pump trip as a flow transient, were also chosen for this analysis. It was found that the steady-state void distributions calculated by both the MATRA and MARS codes coincided well with the measured data in the range of thermodynamic qualities from 5% to 25%. The results of the transient calculations were also similar and were highly feasible. However, the computational aspects of the two codes were clearly different.
Thermal hydraulic (TH) analysis of nuclear power reactors is utmost important. In this way, the numerical codes that preparing TH data in reactor core are essential. In this paper, a subchannel analysis of a Russian pressurized water reactor (WWER1000) core with enhanced numerical code is carried out. For this, in fluid domain, the mass, axial and lateral momentum and energy conservation equations for desired control volume are solved, numerically. In the solid domain, the cylindrical heat transfer equation for calculation of radial temperature profile in fuel, gap and clad with finite difference and finite element solvers are considered. The dependence of material properties to fuel burnup with Calza-Bini fuel-gap model is implemented. This model is coupled with Isotope Generation and Depletion Code (ORIGEN2.1). The possibility of central hole consideration in fuel pellet is another advantage of this work. In addition, subchannel to subchannel and subchannel to rod connection data in hexagonal fuel assembly geometry could be prepared, automatically. For a demonstration of code capability, the steady state TH analysis of a the WWER1000 core is compromised with Thermal-hydraulic analysis code (COBRA-EN). By thermal hydraulic parameters averaging Fuel Assembly-to-Fuel Assembly method, the one sixth (symmetry) of the Boushehr Nuclear Power Plant (BNPP) core with regular subchannels are modeled. Comparison between the results of the work and COBRA-EN demonstrates some advantages of the presented code. Using the code the thermal modeling of the fuel rods with considering the fission gas generation would be possible. In addition, this code is compatible with neutronic codes for coupling. This method is faster and more accurate for symmetrical simulation of the core with acceptable results.
Bin Han ;Xiaoliang Zhu;Bao-Wen Yang;Aiguo Liu;Yanyan Xi ;Lei Liu ;Shenghui Liu;Junlin Huang
Nuclear Engineering and Technology
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제55권10호
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pp.3775-3786
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2023
Mixing Vane Grid (MVG) is one of the most important structures in fuel assembly due to its high performance in mixing the coolant and ultimately increasing Critical Heat Flux (CHF), which avoids the temperature rising suddenly of fuel rods. To evaluate the mixing performance of the MVG, a Total Diffusion Coefficient (TDC) mixing coefficient is defined in the subchannel analysis code. Conventionally, the TDC of the spacer grid is obtained from the combination of experiments and subchannel analysis. However, the processing of obtaining and determine a reasonable TDC is much challenging, it is affected by boundary conditions and MVG geometries. In is difficult to perform all the large and costing rod bundle tests. In this paper, the CFD method was applied in TDC analysis. A typical 5 × 5 MVG was simulated and validated to estimate the mixing performance of the MVG. The subchannel code was used to calculate the TDC. Firstly, the CFD method was validated from the aspect of pressure drop and lateral temperature distribution in the subchannels. Then the effect of boundary conditions including the inlet temperature, inlet velocities, heat flux ratio between hot and cold rods and the arrangement of hot and cold rods on MVG mixing and TDC were studied. The geometric effects on mixing are also carried out in this paper. The effect of vane pattern on mixing was investigated to determine which one is the best to represent the grid's mixing performance.
The MATRA-LMR code has been developed based on a subchannel analysis method for LMR (Liquid Metal Reactor) core subassembly thermal hydraulic design and analysis. The code was improved to allow a seven assembly calculation and can account for inter-assembly heat transfer based on a lumped parameter model. This paper describes the main modifications and improvements of the code and shows reference calculation results which compared single assembly calculation with seven assembly calculation cased for driver and blanket subassemblies of the KALIMER 150 MWe breakeven conceptual design core. KAL- IMER is a pool-type sodium cooled reactor with a thermal output of 392.0 MWth, which have inherently safe, environmentally friendly, proliferation-resistant and economically viable reactor concepts.
The CUPID code is a transient, three-dimensional, two-fluid, thermal-hydraulic code designed for a component-scale analysis of nuclear reactor components. The primary objective of this study is to assess the applicability of CUPID to single-phase turbulent flow analyses of $2{\times}2$ rod bundle subchannel. The bulk velocity at the inlet varies from 1.0 m/s up to 2.0 m/s which is equivalent to the fully turbulent flow with the range of Re=12,500 to 25,000. Adiabatic single-phase flow is assumed. The velocity profile at the exit region is quantitatively compared with both experimental measurement and commercial CFD tool. Three different boundary conditions are simulated and quantitatively compared each other. The calculation results of CUPID code shows a good agreement with the experimental data. It is concluded that the CUPID code has capability to reproduce the turbulent flow behavior for the $2{\times}2$ rod bundle geometry.
The methods and performance of a pin-level nuclear reactor core thermal-hydraulics (T/H) code ESCOT employing the drift-flux model are presented. This code aims at providing an accurate yet fast core thermal-hydraulics solution capability to high-fidelity multiphysics core analysis systems targeting massively parallel computing platforms. The four equation drift-flux model is adopted for two-phase calculations, and numerical solutions are obtained by applying the Finite Volume Method (FVM) and the Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation (SIMPLE)-like algorithm in a staggered grid system. Constitutive models involving turbulent mixing, pressure drop, and vapor generation are employed to simulate key phenomena in subchannel-scale analyses. ESCOT is parallelized by a domain decomposition scheme that involves both radial and axial decomposition to enable highly parallelized execution. The ESCOT solutions are validated through the applications to various experiments which include CNEN $4{\times}4$, Weiss et al. two assemblies, PNNL $2{\times}6$, RPI $2{\times}2$ air-water, and PSBT covering single/two-phase and unheated/heated conditions. The parameters of interest for validation include various flow characteristics such as turbulent mixing, spacer grid pressure drop, cross-flow, reverse flow, buoyancy effect, void drift, and bubble generation. For all the validation tests, ESCOT shows good agreements with measured data in the extent comparable to those of other subchannel-scale codes: COBRA-TF, MATRA and/or CUPID. The execution performance is examined with a mini-sized whole core consisting of 89 fuel assemblies and for an OPR1000 core. It turns out that it is about 1.5 times faster than a subchannel code based on the two-fluid three field model and the axial domain decomposition scheme works as well as the radial one yielding a steady-state solution for the OPR1000 core within 30 s with 104 processors.
JEONG J.-J.;BAE S. W.;HWANG D. H.;LEE W. J.;CHUNG B. D.
Nuclear Engineering and Technology
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제37권5호
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pp.469-478
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2005
The subchannel analysis capability of MARS, a multi-dimensional thermal-hydraulic system code, has been enhanced. In particular, the turbulent mixing and void drift models for the flow-mixing phenomena in rod bundles were improved. Then, the subchannel analysis feature was combined with the existing coupled system thermal-hydraulics (T/H) and 3D reactor kinetics calculation capability of MARS. These features allow for more realistic simulations of both the hot channel behavior and the global system T/H behavior. Using the coupled features of MARS, a coupled analysis of a main steam line break (MSLB) is carried out for demonstration purposes. The results of the calculations are very reasonable and promising.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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