Evaluation of Gap Heat Transfer Model in ELESTRES for CANDU Fuel Element Under Normal Operating Conditions

CANDU형 핵연료봉의 정상상태 계산용 ELESTRES 코드내 간극 열전달 모델 평가

The gap conductance between the fuel and the sheath depends strongly on the gap width and has a significant influence on the amount of initial stored energy. The modified Ross and Stoute gap conductance model in ELESTRES is based on a simplified thermal deformation model for steady-state fuel temperature calculations. A review on a series of experiments reveals that fuel pellets crack relocate, and are eccentrically positioned within the sheath rather than solid concentric cylinders. In this paper, the hue recently-proposed gap conductance models (offset gap model and relocated gap model) are described and are applied to calculate the fuel-sheath gap conductances under experimental conditions and normal operating conditions in CANDU reactors. The good agreement between the experimentally-inferred and calculated gap conductance values demonstrates that the modified Ross and Stoute model was implemented correctly in ELESTRES. The predictions of the modified Ross and Stoute model provide conservative values for gap heat transfer and fuel surface temperature compared to the offset gap and relocated gap models for a limiting power envelope.

핵연료 소결체와 피복관 사이의 간극 크기에 크게 좌우되는 간극 열전도도는 연료봉내 초기 저장에너지 양에 중요한 영향을 끼친다. 정상상태 계산용 ELESTRES 코드에서 사용 중인 수정된 Ross-Stoute 의 간극 열전도도 모델은 단순한 열적 변형 모델에 기초한다. 최근의 실험에서 핵연료 소결체가 연소됨에 따라서 균열, 소결체 재배열 등이 발생되고, 피복관 내부의 편심에 위치하게 된다는 것이 알려졌다. 본 논문에서는, 최근에 제안된 편심형 간극 모델과 소결체 재배열형 간극 모델 등이 기술되었고, 실험 조건과 중수로 핵연료봉의 운전조건 하에서의 소결체와 피복관 사이의 간극 열전도도를 계산하는데 이용되었다. 실험 치와 계산치가 잘 일치됨으로써, 수정된 Ross-Stoute 모델이 ELESTRES 코드 내에서 사용된 열전달 관련 가정들과 잘 부합됨을 보여 주었다. 출력 경계곡선을 따라서 수정된 Ross-Stoute 모델로 계산된 간극내 열전달과 핵연료 표면 온도 등이 편심형 간극 모델과 소결체 재배열형 간극모델에 의한 예측치보다 보수적이었다.