Coolability of porous core debris beds : Effects of bed geometry and multi-dimensional flooding

Abstract

This thesis addresses the coolability of porous debris beds in the context of severe accident management of nuclear power reactors. In a hypothetical severe accident at a Nordic-type boiling water reactor, the lower drywell of the containment is flooded, for the purpose of cooling the core melt discharged from the reactor pressure vessel in a water pool. The melt is fragmented and solidified in the pool, ultimately forming a porous debris bed that generates decay heat. The properties of the bed determine the limiting value for the heat flux that can be removed from the debris to the surrounding water without the risk of re-melting. The coolability of porous debris beds has been investigated experimentally by measuring the dryout power in electrically heated test beds that have different geometries. The geometries represent the debris bed shapes that may form in an accident scenario. The focus is especially on heap-like, realistic geometries which facilitate the multi-dimensional infiltration (flooding) of coolant into the bed. Spherical and irregular particles have been used to simulate the debris. The experiments have been modeled using 2D and 3D simulation codes applicable to fluid flow and heat transfer in porous media. Based on the experimental and simulation results, an interpretation of the dryout behavior in complex debris bed geometries is presented, and the validity of the codes and models for dryout predictions is evaluated. According to the experimental and simulation results, the coolability of the debris bed depends on both the flooding mode and the height of the bed. In the experiments, it was found that multi-dimensional flooding increases the dryout heat flux and coolability in a heap-shaped debris bed by 47–58% compared to the dryout heat flux of a classical, top-flooded bed of the same height. However, heap-like beds are higher than flat, top-flooded beds, which results in the formation of larger steam flux at the top of the bed. This counteracts the effect of the multi-dimensional flooding. Based on the measured dryout heat fluxes, the maximum height of a heap-like bed can only be about 1.5 times the height of a top-flooded, cylindrical bed in order to preserve the direct benefit from the multi-dimensional flooding. In addition, studies were conducted to evaluate the hydrodynamically representative effective particle diameter, which is applied in simulation models to describe debris beds that consist of irregular particles with considerable size variation. The results suggest that the effective diameter is small, closest to the mean diameter based on the number or length of particles.

Tämä väitöskirja käsittelee sydänmateriaalin jäähdytettävyyttä vakavien ydinvoimalaitosonnettomuuksien hallinnassa. Pohjoismaisten kiehutusvesilaitosten suojarakennuksen alakuivatila tulvitetaan reaktorisydämen sulamiseen johtavassa onnettomuustilanteessa. Toimenpiteen tavoitteena on muodostaa vesiallas, minne sydänsula fragmentoituu ja jäähtyy reaktoripainesäiliön rikkoutumisen jälkeen. Vesialtaaseen muodostuu huokoinen, sydänromusta koostuva partikkelipeti, joka tuottaa fissiotuotteiden hajoamisesta aiheutuvaa jälkilämpötehoa, joka poistuu petiä ympäröivään vesialtaaseen. Huokoisen pedin virtaus- ja lämmönsiirto-ominaisuudet määräävät, kuinka suuri jälkilämpöteho on mahdollista poistaa, jotta materiaalin uudelleen sulaminen estyisi. Työssä on tutkittu huokoisen partikkelipedin jäähdytettävyyttä kokeellisesti mittaamalla kuivumiseen johtava lämpöteho erilaisissa partikkelipetigeometrioissa, jotka edustavat sulapurkauksessa muodostuvia huokoisen pedin muotoja. Erityisesti kekomaiset, realistiset partikkelipedit, joissa jäähdytteen virtaus petiin on selkeästi moniulotteinen, on otettu huomioon. Kokeet on mallinnettu käyttämällä kaksi- ja kolmiulotteisia laskentamalleja, jotka simuloivat kaksifaasivirtausta huokoisessa väliaineessa. Koe- ja mallinnustulosten avulla esitetään tulkinta partikkelipetien kuivumiskäyttäytymisestä sekä arvioidaan mallien soveltuvuutta jäähdytettävyysarviointiin. Kokeiden ja laskentamallien tulosten mukaan kuivumislämpövuo riippuu virtausmekanismista ja pedin korkeudesta. Kokeissa havaittiin, että moniulotteinen virtaus parantaa kekomaisten petien jäähdytettävyyttä. Kuivumislämpövuo on 47–58 % suurempi kuin päältä jäähdytettävässä pedissä. Kekomainen peti on kuitenkin korkeampi kuin tilavuudeltaan vastaava tasaisesti jakautunut, päältä jäähdytettävä peti, mikä kasvattaa höyryvuota kekomaisen pedin yläosassa ja huonontaa jäähdytettävyyttä. Kuivumislämpövuon perusteella pedin korkeus saa olla vain noin puolitoistakertainen tasaisesti jakautuneeseen petiin verrattuna, jotta moniulotteisesta virtauksesta saatava suora hyöty säilyisi. Lisäksi työssä arvioitiin hydrodynaamisesti edustavaa efektiivistä partikkelikokoa, jota mallinnuksessa sovelletaan kuvaamaan epäsäännöllisistä ja vaihtelevan kokoisista partikkeleista koostuvaa petiä. Tulokset viittaavat siihen, että efektiivinen koko tulee valita kokojakauman pienempien partikkelien joukosta, mahdollisesti käyttäen partikkelien lukumäärän tai pituuden mukaan painotettua keskikokoa.