Coupled analyses of steam line break for integral PWR

Abstract

The development of carbon-free energy technology has seen a huge rise in recent decades, but Europe is still heavily reliant on fossil fuel imports and faces challenges in securing a reliable and sustainable energy supply for its citizens. Small modular reactors (SMRs) are emerging reactor types that are capable of producing dispatchable carbon-free energy on demand. This master’s thesis studies steam line break in NuScale SMR, which employs novel systems such as helical-coil steam generators and passive safety systems based on natural circulation.

The study is done numerically with two different approaches: traditional and advanced. In the traditional approach, a neutronics solver (Ants) is coupled with a thermal-hydraulic system code (TRACE). In the advanced approach, the previously mentioned coupling is complemented with a computational fluid dynamics program (OpenFOAM). The programs are coupled with the modular calculation system Kraken developed by VTT.

The coupling between TRACE and Ants was achieved, and the steam line break event was simulated successfully demonstrating the feasibility and advantages of Kraken. Coupling OpenFOAM ended up being too challenging, and only preliminary work towards development of the advanced coupling was achieved.

The NuScale SMR behaviour complied with the limitations set by the acceptance criteria. Additionally, oscillatory behaviour and instabilities were found in the secondary circuit. As a result, further study is needed to validate the results and to investigate whether the oscillatory behaviour is caused by numerical issues in the computational tools or physical issues with the NuScale design.

Hiilivapaan energiateknologian kehitys on lisääntynyt valtavasti viime vuosikymmeninä, mutta Eurooppa on edelleen vahvasti riippuvainen fossiilisten polttoaineiden tuonnista ja Euroopalla on hankaluuksia turvata luotettava ja kestävä energiahuolto kansalaisilleen. Pienet modulaariset reaktorit (SMR) ovat uusia reaktorityyppejä, jotka pystyvät tuottamaan hiilivapaata energiaa tarpeen mukaan. Tässä diplomityössä tutkitaan höyrylinjan katkeamista NuScale SMR:ssä, jossa käytetään uudenlaisia järjestelmiä, kuten kierukka höyrystimiä ja luonnonkiertoon perustuvia passiivisia turvallisuusjärjestelmiä.

Tutkimus tehdään numeerisesti kahdella eri lähestymistavalla: perinteisellä ja kehittyneellä. Perinteisessä lähestymistavassa kytketään neutroniikka koodi (Ants) ja termohydrauliikan simulointi ohjelma (TRACE). Edistyneessä lähestymistavassa edellä mainittua kytkentää täydennetään laskennallisen virtausdynamiikan ohjelmalla (OpenFOAM). Ohjelmat kytketään VTT:n kehittämän modulaarisen laskentajärjestelmän Krakenin avulla.

Työn aikana osoitettiin Krakenin käyttökelpoisuus ja hyödyt kytkemällä TRACE ja Ants, ja simuloimalla höyrylinjan katkeamistapahtuma onnistuneesti. OpenFOAMin kytkeminen osoittautui odotettua haastavammaksi, ja vain alustavaa työtä edistyneen kytkennän kehitystä varten saatiin aikaiseksi.

NuScale SMR:n käyttäytyminen täytti hyväksymiskriteereissä asetetut rajoitukset. NuScalen sekundaaripiirissä havaittiin värähtelyä ja epävakautta. Mutta lisätutkimuksia tarvitaan tulosten validoimiseksi, sekä selvittääkseen johtuuko värähtely numeerisista ongelmista laskentatyökaluissa vai fyysisistä ongelmista NuScalen designissa.