Heat
Transfer at Supercritical Pressures - Literature Review and Application
to an HPLWR
Abstract
Research activities are ongoing worldwide to develop advanced nuclear power plants with high thermal efficiency with the purpose to improve their economical competitiveness. In Europe, several research institutions and industrial partners are joining in a common research project to develop a High Performance Light Water Reactor (HPLWR), which is cooled with supercritical pressure water and has a thermal efficiency higher than 40%. The main objectives of the HPLWR project are: to review and to assess the existing water cooled reactors at supercritical pressure; to make a design proposal of a European supercritical pressure light water reactor; to assess the technical and economic feasibility of a supercritical pressure light water reactor. One of the important items in this project is to collect comprehensive knowledge of heat transfer at the HPLWR condition, which differs strongly from that at sub-critical pressure conditions. In the present study, a thorough literature review on heat transfer in supercritical water is performed. A new sub-channel analysis code (STAR-SC) is developed to determine the flow condition in the sub-channels of an HPLWR fuel assembly. The experimental as well as theoretical studies in the open literature were analysed and assessed relating to their application to the HPLWR fuel assembly. Recommendations are made on the application of the existing prediction methods (correlations) to the design of an HPLWR at the present stage. Further research needs are pointed out relating to the heat transfer under the SCLWR condition.
Wärmeübergang unter überkritischen Drücken – Literaturstudien und Anwendung auf einem HPLWR
Kurzfassung
Weltweit werden Forschungen zur Entwicklung von fortgeschrittenen Reaktoren mit einem hohen Wirkungsgrad durchgeführt, um die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit des Kernkraftwerkes zu verbessern. Ein europäisches Projekt, unter der Beteiligung von mehreren Forschungsinstitutionen und Industriepartnern, ist initialisiert worden, um einen sogenannten ‘High Performance Light Water Reactor (HPLWR)’ zu entwickelt, der mit Wasser unter überkritischen Drücken gekühlt wird und einen thermischen Wirkungsgrad von über 40% hat. Die wesentlichen Zielsetzungen des HPLWR-Projekts sind: (a) Zusammenstellung und Bewertung vorhandener Auslegungskonzepte der mit überkritischem Wasser gekühlten Reaktoren; (b) Vorschlag eines europäischen Auslegungskonzeptes des HPLWR; (c) Untersuchung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit eines HPLWR. Eine der wichtigen Aufgaben im HPLWR-Projekt ist die Zusammenstellung umfangreicher Kenntnisse bezüglich des Wärmeübergangsverhaltens unter den Bedingungen eines HPLWR, das offensichtlich von dem unter unterkritischen Drücken sehr verschieden ist. In der vorhandenen Arbeit wird eine gründliche Literaturstudie über den Wärmeübergang bei überkritischen Drücken durchgeführt. Ein neues Rechenprogramm (STAR-SC) wurde entwickelt, um die Strömungsparameter in den Unterkanälen eines HPLWR-Brennelements zu ermitteln. Die in der Literatur vorhandenen experimentellen sowie theoretischen Arbeiten werden analysiert und bezüglich ihrer Anwendung auf einem HPLWR-Brennelement bewertet. Für die vorläufige Auslegung eines HPLWR-Brennelements werden einige Wärmeübergangskorrelationen empfohlen. Zukünftiger Forschungsbedarf am Wärmeübergang unter den Bedingungen eines HPLWR wird dargestellt.