As part of the thermal analysis of a CANDU spent fuel dry storage system, a series of experiment has been conducted using a thermal mock-up of a simulated CANDU spent fuel bundle in a dry storage basket. The experimental system was designed to obtain the maximum fuel rod temperature along with the radial and axial temperature distributions within the fuel bundle. The main purpose of these experiments was to characterize the relevant heat transfer mechanisms in a dry, vertically oriented CANDU spent fuel bundle, and to verify the MAXROT code developed for the thermal analysis of a CANDU spent fuel bundle in a dry storage basket.
A total of 48 runs were made with 8 different power inputs to the 37-element heater rod bundle ranging from 5 to 40 W, while using 6 different band heaters power inputs from 0 to 250 W to maintain the basket wall at a desired boundary condition temperature at the steady state. The temperature distribution in a heater rod bundle was measured and recorded at the saturated condition for each set of heater rod power and band heaters power. To characterize the heat transfer mechanism involved, the experimental data were corrected analytically for radiation heat transfer and presented as a Nusselt number correlation in terms of the Rayleigh number of the heater rod bundle. The results show that the Nusselt number remains nearly constant and all the experimental dada fall within a conduction regime.
The experimental data were compared with the predictions of the MAXROT code to examine the code's accuracy and validity of assumptions used in the code. The MAXROT code explicitly models each representative fuel rod in a CANDU fuel bundle and couples the conductive and radiative heat transfer of the internal gas between rods. Comparisons between the measured and predicted maximum fuel rod temperatures of the simulated CANDU 37-element spent fuel bundle for all 48 tests show that the MAXROT code slightly over-predicts and the agreement is within 2.8 % with a mean deviation of 3.2℃.
Based on the above results, it is concluded that the MAXROT code can be used in the second step of the two-step thermal analysis method, proposed to obtain the maximum fuel rod temperature of the CANDU 37-element spent fuel bundle within a fuel basket in a given spent fuel dry storage canister with an uncertainty of about 2.8 %.
CANDU 사용후 핵연료 건식저장계통에 대한 열 분석의 일부분으로, 건식저장용기 내 모의CANDU 사용후 핵연료의 열 모형장치를 이용한 일련의 시험이 수행되었다. 실험장치는 연료다발 내부에서의 반경 및 축 방향 온도 분포와 함께 최대 연료봉 온도를 취득할 수 있도록 설계되었다. 본 실험의 주 목적은 건식 상태에서 수직 방향으로 거치된 CANDU 사용후 핵연료 다발에서 발생하는 열전달 기구 특성을 조사하고, 건식저장용기 내부에서의 CANDU 사용후 핵연료 다발의 열분석 방법인 MAXROT Code를 개발, 검증하기 위한 것이다.
사용후 핵연료 저장용기 벽면온도를 정상상태에서 요구경계조건 온도로 일정하게 유지하기 위해 저장용기를 둘러싼 밴드히터(Band heater)의 출력을 0~250W에 걸쳐 6개의 다른 출력으로 유지하면서, 각각의 상태에서 전열봉 다발의 출력을 5~40W까지 8개의 다른 출력 수준으로 변화시키며 총 48회의 시험을 수행하였다. 전열봉 내부의 온도분포가 측정되었으며 각각의 전열봉과 밴드히터의 출력 조건에서 충분히 포화되어 안정된 온도 자료가 취득되었다. 전열봉다발에서 발생되는 열전달 기구의 특성을 파악하기 위해 실험자료로부터 분석적 방법으로 계산된 복사 열전달 부분을 감한 후, Rayleigh Number에 대한 Nusselt Number의 관계를 조사하였다. 그 결과, Nusselt Number는 거의 일정한 값으로 유지되고 있으며 실험자료는 전도영역에서 열전달이 발생하고 있음을 보이고 있다.
MAXROT 코드에 사용된 가정의 정확성과 유용성을 확인하기 위해 실험자료를 코드 예측치와 비교하였다. MAXROT 코드는 CANDU 연료다발의 개별 연료봉을 명시적으로 모의하면서 연료봉 사이의 내부기체에서 전도 및 복사열전달을 고려하고 있다. 총 48회의 시험결과에 대해서 모의된 CANDU 연료다발의 최고온도에 대한 실험 측정치와 동일한 경계조건 온도를 사용하여 계산된 MAXROT 코드 예측치를 비교한 결과, MAXROT 코드가 약간 높게 예측하는 것으로 나타났으며, 실험치와 예측치는 2.8% 이내에서 평균편차 3.2℃로 일치되고 있음을 보이고 있다. 이상의 결과에서 MAXROT 코드는 사용후 핵연료 건식저장저장시설의 연료저장용기내 CANDU 37개 연료봉 핵연료다발의 최고온도를 취득하기 위해 제안된 2단계 열분석 방법에서 제 2단계 해석방법으로 사용될 수 있는 것으로 결론지었다.