[論文レビュー] Using Sohn's law of additive reaction times for modeling a multiparticle reactor. The case of the moving bed furnace converting uranium trioxide into tetrafluoride

Fabrice Patisson, B. Dussoubs+1 more|ArXiv.org|Mar 19, 2008

Iron and Steelmaking Processes参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、UO3からUF4に変換する移動床炉における気相反応をシミュレートする計算効率の高い解析的モデルを提示している。Sohnの反応時間の加法性の法則を用いて2次元定常状態の有限体積法反応器モデル内での粒子スケール動態を近似している。この手法により、詳細な数値グレインモデルとの妥当性検証を経て、計算時間を顕著に短縮しながらも精度を維持し、核燃料生産のためのプロセス最適化を可能にした。

ABSTRACT

One of the major issues with multiparticle reactors is to handle their multiscale aspect. For modeling, it usually comes to coupling a reactor model (describing the phenomena at the macroscopic scale) with a so-called grain model (simulating the behavior of a single grain or a particle). An interesting approach proposed by H.Y. Sohn (1978) is to use the law of additive reaction times in order to calculate, approximately but analytically, the reaction rate of a particle in the reactor model. Its great advantage, compared to a numerical grain model, is to drastically reduce the computation time, particularly in the case of complex reactor models. This is the approach we retained for modeling the moving bed furnace, a counter-current gas-solid reactor used in the nuclear fuel-making route for producing uranium tetrafluoride from uranium trioxide. The numerical model we developed is 2-dimensional, steady-state and based on the finite volume method. It describes solid and gas flow, convective, conductive and radiative heat transfers, and six chemical reactions involved in the process. The law of additive reaction times is used to calculate analytically the rate of the three principal gas-solid reactions at every discrete point in the reactor. We have demonstrated the validity of this approach by comparing its results with those calculated from a numerical grain model. Also detailed in the paper are the main results of the moving bed furnace model itself and the possibilities of optimizing the process revealed by the calculations.

研究の動機と目的

• 多スケール問題に取り組むこと、特に核燃料処理におけるマルチパーティクル反応器のモデリングに焦点を当てる。
• 移動床炉における複雑な気相反応をシミュレートする際の計算コストを低減すること。
• Sohnの反応時間の加法性の法則が、数値グレインモデルの代替としての解析的アプローチとして妥当であるかを検証すること。
• ウラン三酸化物からジウランテトラフルオライドを生産するためのプロセス最適化を可能にすること。
• 熱伝達、流れの動態、複数の化学反応を統合した2次元定常状態の有限体積モデルの開発

提案手法

• Sohnの反応時間の加法性の法則を用いて、反応器モデル内での粒子スケールにおける反応速度を解析的に計算する。
• 移動床炉を対象とした2次元定常状態の有限体積数値モデルの開発。
• 反応器モデルに対流、伝導、放射による熱伝達メカニズムを組み込む。
• 6つの化学反応をモデル化し、そのうち3つの主要な気相反応はSohnの法則を用いて計算。
• 加法的反応時間近似を介して、マクロスケールの反応器挙動と粒子スケール動態を結合。
• 詳細な数値グレインモデルとの比較により、解析的手法の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sohnの反応時間の加法性の法則は、マルチパーティクル反応器のシミュレーションにおいて、数値グレインモデルの代替として精度よくかつ計算コストを抑えるものとなるか？
• RQ2 加法的反応時間の使用が、UO3からUF4への移動床炉における変換速度の予測にどのように影響を与えるか？
• RQ3 UO3からUF4への変換プロセスの効率に影響を与える主要な熱的および流れパラメータは何か？
• RQ4 解析的モデルは、完全な数値グレインモデルの結果をどの程度再現できるか？
• RQ5 反応器モデルのシミュレーション結果から、どのようなプロセス最適化戦略が導かれるか？

主な発見

• Sohnの法則に基づく解析的モデルは、詳細な数値グレインモデルの結果と良好に一致し、その精度が裏付けられた。
• 加法的反応時間の使用により、完全な数値グレインシミュレーションと比較して計算時間が顕著に短縮され、反応器スケールの分析が高速化された。
• 2次元有限体積モデルは、固体と気体の流れ、熱伝達、複数の化学反応の連成効果を効果的に捉えた。
• モデルは、UO3からUF4への変換効率に影響を与える重要な運転条件とパラメータ感度を明らかにした。
• プロセス最適化の研究から、収率およびエネルギー効率の向上に寄与する主要な変数（温度プロファイル、ガス流量、停留時間分布）が同定された。
• 本モデルは、予測能力を損なわずに、複雑なマルチスケール反応器シミュレーションに解析的粒子スケール動態を適用可能であることを示した。