Sang Ho Kim;Jaehyun Ham;Byeonghee Lee;Sung Il Kim;Hwan Yeol Kim;Rae-Joon Park;Jaehoon Jung
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.12
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pp.4551-4559
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2022
The aim of this research is to analyze the characteristics of a core melt discharged from the reactor vessel and the spreading behavior the core melt in the reactor cavity of the SMART. First, a severe accident sequence under conservative conditions is simulated by the MELCOR code to obtain the conditions for an analysis of the spreading behavior and coolability of the ex-vessel melt. Second, the spreading behavior and coolability of the ex-vessel melt are analyzed by the MELTSPREAD code. The level, temperature, and pressure of the water in the cavity as well as the temperature, mass, composition, and discharge velocity of the melt were utilized to construct the ex-vessel analysis. The melt spread only to part of the cavity, and that the height of the corium in a static state was less than 25 cm. The characteristics of a small modular reactor on the spreading behavior and coolability of melt were analyzed. In the SMART, the amount of melt discharged into the cavity is relatively small and the area of the cavity is sufficiently large when compared to a high-power pressurized water reactor. It was found that the coolability of an ex-vessel core melt can be sufficiently secured.
Farmer, Mitchell T.;Kilsdonk, Dennis J.;Aeschlimann, Robert W.
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.5
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pp.575-602
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2009
In the wake of the Three Mile Island accident, vigorous research efforts were initiated to acquire a basic knowledge of the progression and consequences of accidents that involve a substantial degree of core degradation and melting. The primary emphasis of this research was placed on containment integrity, with: i) hydrogen combustion-detonation, ii) steam explosion, iii) direct containment heating (DCH), and iv) melt attack on the BWR Mark-I containment shell identified as energetic processes that could lead to early containment failure (i.e., within the first 24 hours of the accident). Should the core melt fail the reactor vessel, then non-condensable gas production from Molten Core-Concrete Interaction (MCCI) was identified as a mechanism that could fail the containment by pressurization over the long term. One signification question that arose as part of this investigation was the effectiveness of water in terminating an MCCI by flooding the interacting masses from above, thereby quenching the molten core debris and rendering it permanently coolable. Successful quenching of the core melt would prevent basemat melt through, as well as continued containment pressurization by non-condensable gas production, and so the accident progression would be successfully terminated without release of radioactivity to the environment. Based on these potential merits, ex-vessel corium coolability has been the focus of extensive research over the last 20 years as a potential accident management strategy for current plants. In addition, outcomes from this research have impacted the accident management strategies for the Gen III+LWR plant designs that are currently being deployed around the world. This paper provides: i) an historical overview of corium coolability research, ii) summarizes the current status of research in this area, and iii) highlights trends in severe accident management strategies that have evolved based on the findings from this work.
E. Hemanth Rao;Prabhat Kumar Shukla;D. Ponraju;B. Venkatraman
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.1
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pp.283-291
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2024
Sodium cooled Fast Reactors (SFR) are built with several engineered safety features and hence a severe accident such as a core melt accident is hypothetical with a probability of <10-6/ry. However, in case of such accidents, the mixture of the molten fuel and structural materials interacts with sodium. This phenomenon is known as Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) and results in fragmentation of the melt due to various instabilities. The fragmented particles settle as a debris bed on the core catcher at the bottom of the reactor vessel, and continue to generate decay heat. Characteristics of the debris particles play a vital role in heat transfer from the bed and need thorough investigation. The size, shape, and physical state of the debris depend on the associated fragmentation mechanism, superheating of the melt, and sodium temperature. Experiments have been conducted by releasing simulated corium, a molten mixture of alumina and iron generated by the aluminothermy process at ~2400 ℃ into liquid sodium, to study the fragmentation phenomena. After the experiment, the fragmented debris was retrieved and the particle size distribution was determined by sieve analysis. The debris was subjected to microscopic investigation for obtaining morphological characteristics. Based on the characteristics of debris, an attempt has been made to assess of fragmentation mechanism of simulated corium in sodium.
The present study is concerned with the extension of the Effective Convectivity Model (ECM) to the phase-change problem to simulate the dynamics of the melt pool formation in a Light Water Reactor (LWR) lower plenum during hypothetical severe accident progression. The ECM uses heat transfer characteristic velocities to describe turbulent natural convection of a melt pool. The simple approach of the ECM method allows implementing different models of the characteristic velocity in a mushy zone for non-eutectic mixtures. The Phase-change ECM (PECM) was examined using three models of the characteristic velocities in a mushy zone and its performance was compared. The PECM was validated using a dual-tier approach, namely validations against existing experimental data (the SIMECO experiment) and validations against results obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The results predicted by the PECM implementing the linear dependency of mushy-zone characteristic velocity on fluid fraction are well agreed with the experimental correlation and CFD simulation results. The PECM was applied to simulation of melt pool formation heat transfer in a Pressurized Water Reactor (PWR) and Boiling Water Reactor (BWR) lower plenum. The study suggests that the PECM is an adequate and effective tool to compute the dynamics of core melt pool formation.
As an in-vessel retention (IVR) design concept in coping with a severe accident in the nuclear power plant during which time a considerable amount of core material may melt, external cooling of the reactor vessel has been suggested to protect the lower head from overheating due to relocated material from the core. The efficiency of the ex-vessel management may be estimated by the thermal margin defined as the ratio of the critical heat flux (CHF)to the actual heat flux from the reactor vessel. Principal factors affecting the thermal margin calculation are the amount of heat to be transferred downward from the molten pool, variation of heat flux with the angular position, and the amount of removable heat by external cooling In this paper a thorough literature survey is made and relevant models and correlations are critically reviewed and applied in terms of their capabilities and uncertainties in estimating the thermal margin to potential failure of the vessel on account of the CHF Results of the thermal margin calculation are statistically treated and the associated uncertainties are quantitatively evaluated to shed light on the issues requiring further attention and study in the near term. Our results indicated a higher thermal margin at the bottom than at the top of the vessel accounting for the natural convection within the hemispherical molten debris pool in the lower plenum. The information obtained from this study will serve as the backbone in identifying the maximum heat removal capability and limitations of the IVR technology called the Cerium Attack Syndrome Immunization Structures (COASISO) being developed for next generation reactors.
Ye, In-Soo;Kim, Jeongeun Alice;Ryu, Changkook;Ha, Kwang Soon;Kim, Hwan Yeol;Song, Jinho
Nuclear Engineering and Technology
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v.45
no.1
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pp.21-28
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2013
The flow and heat transfer characteristics of the ex-vessel core melt (corium) were investigated using a commercial CFD code along with the experimental data on the spreading of corium available in the literature (VULCANO VE-U7 test). In the numerical simulation of the unsteady two-phase flow, the volume-of-fluid model was applied for the spreading and interfacial surface formation of corium with the surrounding air. The effects of the key parameters were evaluated for the corium spreading, including the radiation, decay heat, temperature-dependent viscosity and initial temperature of corium. The results showed a reasonable trend of corium progression influenced by the changes in the radiation, decay heat, temperature-dependent viscosity and initial temperature of corium. The modeling of the viscosity appropriate for corium and the radiative heat transfer was critical, since the front progression and temperature profiles were strongly dependent on the models. Further development is required for the code to consider the formation of crust on the surfaces of corium and the interaction with the substrate.
The Fukushima accident is characterized by the fact that three reactors at the same site experienced reactor vessel failure and the accident resulted in significant radiological release to the environment, which was about 1/10 of the Chernobyl releases. The safe removal of fuel debris in the reactor vessel and Primary Containment Vessel (PCV) and treatment of huge amount of contaminated water are the major issues for the decommissioning in coming decades. Discussions on the new researches efforts being carried out in the area of investigation of the end state of fuel debris and Boling Water reactor (BWR) specific core melt progression, development of technologies for the mitigation of radiological releases to comply with the strengthened safety requirement set after the Fukushima accident are discussed.
Fichot, F.;Marchand, O.;Drai, P.;Chatelard, P.;Zabiego, M.;Fleurot, J.
Nuclear Engineering and Technology
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v.38
no.8
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pp.733-752
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2006
Severe accidents in PWRs are characterized by a continuously changing geometry of the core due to chemical reactions, melting and mechanical failure of the rods and other structures. These local variations of the porosity and other parameters lead to multi-dimensionnal flows and heat transfers. In this paper, a comprehensive set of multi-dimensionnal models describing heat transfers, thermal-hydraulics and melt relocation in a reactor vessel is presented. Those models are suitable for the core description during a severe accident transient. A series of applications at the reactor scale shows the benefits of using such models.
It has been an essential part for the safety assessment of nuclear power plants to understand various phenomena associated with the molten core-concrete interaction(MCCI) under severe accidents. In this study, the severe accident analysis code MELCOR was used to simulate the MCCI experiments such as SWISS and SURC test series which had been performed in Sandia National Laboratories(SNL). The calculation results were compared with corresponding experimental data such as melt temperature, concrete ablation distance, gas generation rate, and aerosol release rate. Good agreements were observed between MELCOR calculation and experimental data. The melt pool was sustained within the range of high temperature and the concrete ablation occurred continuously. The gas generation and aerosol release were under the influence of melt temperature and overlying water pool, respectively.
A two-dimensional numerical model is developed and applied to the LAVA-EXV tests performed at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) to investigate the external cooling effect on the thermal margin to failure of a reactor pressure vessel (RPV) during a severe accident. The computational program was written to predict the temperature profile of a two-dimensional spherical vessel segment accounting for the conjugate heat transfer mechanisms of conduction through the debris and the vessel, natural convection within the molten debris pool, and the possible ablation of the vessel wall in contact with the high temperature melt. Results of the sensitivity analysis and comparison with the LAVA-EXV test data indicated that the developed computational tool carries a high potential for simulating the thermal behavior of the RPV during a core melt relocation accident. It is concluded that the main factors affecting the RPV failure are the natural convection within the debris pool and the ablation of the metal vessel, The simplistic natural convection model adopted in the computational program partly made up for the absence of the mechanistic momentum consideration in this study. Uncertainties in the prediction will be reduced when the natural convection and ablation phenomena are more rigorously dealt with in the code, and if more accurate initial and time-dependent conditions are supplied from the test in terms of material composition and its associated thermophysical properties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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