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研究生: 楊凱鈞
Yang, Kai-Chun
論文名稱: 高容量乾式貯存系統之等效熱阻與靈敏度分析以及熱傳改善研究
The Study of Effective Thermal Resistance, Its Sensitivity Analysis, and Heat Transfer Improvements in High-Capacity Dry-Storage System
指導教授: 施純寬
Shih, Chun-Kuan
王仲容
Wang, Jong-Rong
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 123
中文關鍵詞: 計算流體力學FLUENT高容量乾式貯存系統混凝土護箱模式被動式移熱
外文關鍵詞: computational fluid dynamic, FLUENT, high capacity dry storage system, vertical concrete cask mode, passive heat removal
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  • 本論文對核能研究所開發之高容量乾式貯存系統(HCDSS,High Capacity Dry Storage System)進行三維、穩態之熱傳分析,首先完成所需材料的熱傳導度之靈敏度分析,以解析的方式分析高容量乾式貯存系統中各主要元件之熱阻值,發現乾式貯存系統於傳送護箱模式下之主要熱阻為燃料組件套筒集成、支撐鋼架、密封鋼筒與傳送護箱間之空氣間縫以及中子屏蔽層部位,於混凝土護箱模式下之主要熱阻為燃料組件套筒集成、支撐鋼架、空氣流道以及混凝土護箱與外加屏蔽間之空氣間縫。此研究可作為乾貯系統熱傳改善與操作人員的參考與判斷。接著使用計算流體力學軟體FLUENT 6.12.0版本進行熱傳改良之設計分析,結果顯示對空氣流道提高其放射率為0.8(原始設計為0.36)可使密封鋼筒內元件最高溫度下降5°C至6°C。且本研究亦對混凝土護箱與外加屏蔽結構間之間縫將其上下蓋開孔與環境相通之改善,以增加其自然對流效應之被動式移熱效果,此設計能使密封鋼筒外部溫度下降9°C以上。將空氣流道增加放射率為0.8,並與增加外加屏蔽被動式移熱效果互相結合後,其結果顯示可提高密封鋼筒內部與法規最高溫度限值5 oC至6oC的餘裕,亦可改善於襯墊與混凝土護箱因增加放射率造成溫度增加的問題,使得與原始設計溫度差異不大。乾貯系統各元件最高溫度的降低,對於發展更高容量的乾貯系統是有幫助的,且當系統發生事故問題時,可延長元件失效前的升溫時間而使可進行處理之作業時間增長。


    This thesis investigated three-dimensional steady state thermal analysis of the High Capacity Dry Storage System (HCDSS) developed by INER. As our first step, we looked into the sensitivity analysis of thermal conductivities of various materials used in HCDSS. We determined the effective thermal resistances for main components in the system analytically. During the transfer cask mode (TFR), the major contributors of thermal resistances are from sleeves group, supporter, the air gap between transportable Storage Canister (TSC) and transfer cask, and neutron shield. For vertical concrete cask mode (VCC), the additional thermal resistances are air channel, and air gap between the concrete cask and add-on shield. Based on such studies, CFD code such as FLUENT 6.12.0 was then adopted for design analysis on heat transfer improvements. The increase of air channel emissivity (from 0.36 to 0.8) could effectively reduce the maximum temperature bye 5 to 6°C inside the canister. We have also proposed to extend the air gap between the concrete cask and add-on shield through the lids at the top and the bottom. This design change enhances the passive heat removal in natural convection, and a drop of 9°C is observed for the canister outer wall temperature. It is important to reduce the maximum temperatures in the system in order to ensure the safety of the system and ample time of operation before any material failure takes place.

    摘要 II ABSTRACT III 致謝 IV 目錄 V 表目錄 IX 圖目錄 XI 第一章 緒論 1 第二章 高容量用過核燃料乾式貯存系統介紹 3 2.1 INER-HPS與HCDSS兩者乾貯系統的比較 5 2.2 乾貯系統之作業程序 6 2.3.1 各元件尺寸 8 2.3.2 材料最高溫度容許限值 10 第三章 乾貯系統之熱傳與流力分析工具與方法 12 3.1 前處理器GAMBIT介紹 13 3.2 求解器FLUENT介紹 14 3.3 後處理器TECPLOT介紹 16 3.4 程式語言C與自定義函數(UDF)介紹 17 第四章 數值模型與模式架構 18 4.1 混凝土護箱模式統御方程式 18 4.2 數值模式說明 21 4.2.1 混凝土護箱模式數值方法 21 4.2.2 熱輻射模式 21 4.3 求解步驟及收斂條件 23 4.3.1 混凝土護箱模式之求解步驟及收斂條件 23 4.4 基本假設 25 4.5 FLUENT模型建立 27 4.5.1 混凝土護箱模式模型建立 27 4.5.2 外加屏蔽層散熱改良分析之模型建立 31 4.6 材料性質 35 4.7 邊界條件 39 4.7.1 作業環境 39 4.7.2 燃料功率分佈 39 4.7.3 固體邊界條件 40 4.7.4 流體邊界條件 41 4.7.5 流固界面之邊界條件 41 第五章 乾貯系統等效熱阻分析與熱傳參數靈敏度研究 43 5.1 乾貯系統所需材料之熱傳導度隨溫度變化分析 44 5.2.1 燃料套筒集成之熱阻分析 48 5.2.2 支撐鋼架之熱阻分析 52 5.2.3 密封鋼筒外殼之熱阻分析 55 5.3 傳送護箱各元件之熱阻分析與參數靈敏度研究 56 5.3.1 密封鋼筒與傳送護箱間空氣間縫之熱阻分析 56 5.3.2 傳送護箱內殼體之熱阻分析 59 5.3.3 加瑪屏蔽層之熱阻分析 60 5.3.4 中子屏蔽層之熱阻分析 60 5.3.5 傳送護箱外殼體之熱阻分析 61 5.4 混凝土護箱以及外加屏蔽各元件之熱阻分析與參數靈敏度研究 63 5.4.1 空氣流道之熱阻分析 63 5.4.2 混凝土護箱與外加屏蔽結構之熱阻分析 64 5.5 乾貯系統主要熱阻及其比較 67 第六章 結果與討論 69 6.1 混凝土護箱模式熱傳參數改善之分析 69 6.1.1 燃料套筒集成增加熱傳導度之分析 69 6.1.2 空氣流道改善放射率之分析 73 6.1.3 混凝土護箱及外加屏蔽提高熱傳導度之分析 77 6.1.4 混凝土護箱模式熱傳參數改善效益之整合 80 6.2 增加乾貯系統外部被動式移熱之新改善測試分析 83 6.3 乾貯系統改善熱傳參數分析與增加外加屏蔽被動式移熱設計之結合 90 6.3.1 燃料套筒集成增加熱傳導度與外加屏蔽被動式移熱設計之結合 90 6.3.2 空氣流道改善放射率與外加屏蔽被動式移熱設計之結合 96 6.3.3 外部元件熱傳改善與外加屏蔽被動式移熱設計之結合 102 6.3.4 內外部元件熱傳改善及外加屏蔽被動式移熱設計之結合 108 第七章 結論 115 參考文獻 117 附錄 119

    1. U.S. NRC, “Packaging and Transportation of Radioactive Material,” 10 CFR Part 71, April
    1996.
    2. U.S. NRC, “Standard Review Plan for Dry Cask Storage Systems”, NUREG- 1536,
    January 1997.
    3. F. Kreith, “Principles of Heat Transfer”, 2nd Edition, International Textbook Company,
    Scranton, PA, 1965.
    4. U.S. Nuclear Regulatory Commission, “Cladding Considerations for Transportation and
    Storage of Spent Fuel”, ISG-11, Rev. 3.
    4. A.B. Johnson and E.R. Gilbert, “Technical Basis for Storage of Zircaloy-Clad Fuel in Inert
    Gases”, PNL-4835, 1985.
    5. The American Society of Mechanical Engineers, “ASME Boiler and Pressure Vessel Code,
    Section II, Part D- Properties”, 1995 Edition with 1995 Addenda.
    6. The American Society of Mechanical Engineers, “ASME Boiler and Pressure Vessel Code,
    Code Cases- Boilers and Pressure Vessels”, Code Case N-71-17, 1996.
    7. T. Baumeister and L.S. Mark, “Standard Handbook for Mechanical Engineers”, 7th
    Edition, McGraw-Hill Book Company, New York, 1967.
    8. Genden Engineering Services & Construction Company, “NS-4-FR Fire Resistant Neutron
    and/or Gamma Shielding Material- Product Technical Data.”
    9. American Concrete Institute, “Code Requirement for Nuclear Safety Related Concrete
    Structure and Commentary”, ACI-349.
    10. ANSYS Inc., FLUNET 6.12.0 User’s Manuals, September 2009.
    11. 曾永信,王仲容;“FLUENT應用於乾式貯存系統熱流分析之準確度校驗報告”,
    INER-5744,2008.
    12. Tseng, Y.S., Hung, T.C., and Pei, B.S., 2007, “The Effects of Thermal Radiation for
    Electronic Cooling on Modified PCB Geometry under Natural Convection”, Numerical
    Heat Transfer, Part A, 51, pp. 195-210.
    13. 楊玉堂,“高容量乾式貯存系統密封鋼桶設計圖 A版”
    14. 台灣電力公司,“核ㄧ廠用過核子燃料乾式貯存設施安全分析報告”
    15. 楊宗佑,“核一廠乾式貯存設施密封鋼筒穩態熱傳分析計算書” ,ISFSI-04-
    CAL-04-06002-03。
    16. 曾永信, “密封鋼筒於傳送作業之熱流分析報告”。
    17. 曾永信, “高容量用過核燃料乾式貯存設施密封鋼筒穩態熱傳分析報告”。
    18. 黃毓皓,“核能電廠用過核燃料乾式貯存設施設計基準草案” ,INER- A3670H,2005。
    19. NAC International Inc., “Final Safety Analysis Report for the UMS Universal Storage
    System”, Rev. 5, October 2005.
    20. ANSYS Inc., FLUNET 6.12.0 UDF Manuals, September 2009.
    21. Bar-Cohen, A., and W. M. Rohsenow, J. Heat Transfer, 106, 116, 1984.
    22. Yang, K.J., Tseng, Y.S., Wang, J.R., and Shih, C.K., 2010, “Enhancement of Passive Heat
    Removal for Add-On Shielding in A Spent Fuel Dry Storage System,” ANS-2010,
    American Nuclear Society (2010).

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