Khabensky, Vladimir Benzianovich;Granovsky, Vladimir Semenovich;Bechta, Sevostian Victorovich;Gusarov, Victor Vlasmirovich
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.5
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pp.561-574
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2009
First ex-vessel core catcher has been applied to the practical design of NPPs with VVER-1000 reactors built in China (Tyanvan) and India (Kudankulam) for severe accident management (SAM) and mitigation of SA consequences. The paper presents the concept and basic design of this crucible-type core catcher as well as an evaluation of its efficiency. The important role of oxidic sacrificial material is discussed. Insight into the behaviour of the molten pool, which forms in the catcher after core relocation from the reactor vessel, is provided. It is shown that heat loads on the water-cooled vessel walls are kept within acceptable limits and that the necessary margins for departure from nucleate boiling (DNB) and of vessel failure caused by thermo-mechanical stress are satisfactorily provided for.
In Lead-based reactor (LBR) severe accident, the meltdown and migration inside the reactor core will lead to fuel fragment concentration, which may further cause re-criticality and even core disintegration. Accurately predicting the migration and solidification behavior of melt in LBR severe accidents is of prime importance for safety analysis of LBR. In this study, the Moving Particle Semi-implicit (MPS) method is validated and used to simulate the migration and solidification behavior. Two main surface tension models are validated and compared. Meanwhile, the MPS method is validated by the L-plate solidification test. Based on the improved MPS method, the migration and solidification behavior of melt in LBR severe accident was studied furthermore. In the Pb-Bi coolant, the melt flows upward due to density difference. The migration and solidification behavior are greatly affected by the surface tension and viscous resistance varying with enthalpy. The whole movement process can be divided into three stages depending on the change in velocity. The heat transfer of core melt is determined jointly by two heat transfer modes: flow heat transfer and solid conductivity. Generally, the research results indicate that the MPS method has unique advantage in studying the migration and solidification behavior in LBR severe accident.
The core catcher is used as a passive safety system in new generation nuclear power plants to create a space in the containment for the placing and cooling of the molten corium under various severe accidents. This research investigates the role of the core catcher in the VVER-1000 reactor containment system in mitigating the effects of core meltdown under various severe accidents within the context of the Ex-vessel Melt Retention (EVMR) strategy. Hence, a comparison study of three severe accidents is conducted, including Station Black-Out (SBO), SBO combined with the Large Break Loss of Coolant Accident (LB-LOCA), and SBO combined with the Small Break Loss of Coolant Accident (SB-LOCA). Numerical comparative simulations are performed for the aforementioned scenario with and without the EX-vessel core-catcher. The results showed that considering the EX-Vessel core catcher reduces the amount of hydrogen by about 18.2 percent in the case of SBO + LB-LOCA, and hydrogen production decreases by 12.4 percent in the case of SBO + SB-LOCA. Furthermore, in the presence of an EX-Vessel core-catcher, the production of gases such as CO and CO2 for the SBO accident is negligible. It was revealed that the greatest decrease in pressure and temperature of the containment is related to the SBO accident.
If a molten core is released from a reactor vessel into a reactor cavity during a severe accident, an important safety issue of coolability of the molten core from top-flooding and concrete ablation due to a molten core concrete interaction (MCCI) is still unresolved. The released molten core debris would attack the concrete wall and basemat of the reactor cavity, which will lead to inevitable concrete decompositions and possible radiological releases. In a OECD/MCCI project scheduled for 4 years from 2002. 1 to 2005. 12, a series of tests were performed to secure the data for cooling the molten core spread out at the reactor cavity and for the 2-D long-term core concrete interaction (CCI). The tests included not only separate effect tests such as a melt eruption, water ingression, and crust failure tests with a prototypic material but also 2-D CCI tests with a prototypic material under dry and flooded cavity conditions. The paper deals with the transient simulations on the CCI-2 test by using a severe accident analysis code, CORQUENCH, which was developed at Argonne National Laboratory (ANL). Similar simulations had been already per for me d by using MELCOR 1.8.5 code. Unlike the MELCOR 1.8.5, the CORQUENCH includes a melt eruption mode I and a newly developed water ingression model based on the water ingression tests under the OECD/MCCI project. In order to adjust the geometrical differences between the CCI-2 test (rectangular geometry) and the simulations (cylindrical geometry), the same scaling methodology as used in the MELCOR simulation was applied. For the direct comparison of the simulation results, the same inputs for the MELCOR simulation were used. The simulation results were compared with the previous results by using MELCOR 1.8.5.
An experimental study on penetration integrity of the reactor vessel has been performed under external vessel cooling during a core melt accident. In this study a series of experiments are performed for the verification of the effects of coolant in the annulus between the ICI(In-Core Instrumentation) nozzle and the thimble tube and also the effects of external vessel cooling on the integrity of the penetration using the test section including only one penetration and $Al_{2}O_{3}$ melt as a corium simulant. The experimental results have shown that penetration is more damaged in the case of no external vessel cooling compared with the case of external vessel cooling. It is preliminarily concluded that the external vessel cooling is very effective measure for the improvement of the penetration integrity. Also it is confirmed from the experimental results that the coolant in the annulus reduces the melt penetration distance through the annulus and enhance the integrity of the reactor vessel penetration in the end.
EU-APR1400, the Korean nuclear reactor design for European market adopts a so-called core catcher for ex-vessel molten corium retention and cooling as a severe-accident mitigation system. Sacrificial material, which controls melt properties and modifies melt conditions favorable for corium cooling and retention, is usually employed to protect core catcher body from molten corium. Since molten corium can be ejected through a breach of a reactor pressure vessel and impinged on the sacrificial material with enhanced heat transfer at a severe accident, it is very important to predict ablation rate of sacrificial material due to corium jet impingement accurately for core catcher design. In this paper, sacrificial-material ablation model based on boundary layer theory is suggested and compared with the experimental results by KAERI.
MAAP4 is a computer code that can simulate the response of a light water reactor power plant during severe accident sequences, including actions taken as part of accident management. The code quantitatively predicts the evolution of a severe accident starting from full power conditions given a set of system faults and initiating events through events such as core melt, reactor vessel failure, and containment failure. Furthermore, models are included in the code to represent the actions that could mitigate the accident by in-vessel cooling, external cooling of the reactor pressure vessel, or cooling the debris in containment. A key element tied to using a code like MAAP4 is an uncertainty analysis. The purpose of this paper is to present a MAAP4 based analysis to examine the sensitivity of a key parameter, in this case hydrogen production, to a set of model parameters that are related to a Level 2 PRA analysis. The Level 2 analysis examines those sequences that result in core melting and subsequent reactor pressure vessel failure and its impact on the containment. This paper identifies individual contributors and MAAP4 model parameters that statistically influence hydrogen production. Hydrogen generation was chosen because of its direct relationship to oxidation. With greater oxidation, more heat is added to the core region and relocation (core slump) should occur faster. This, in theory, would lead to shorter failure times and subsequent "hotter" debris pool on the containment floor.
Parametric studies were performed to assess the sensitivity in determining the maximum in-vessel heat removal capability from the core material relocated into the lower plenum of the reactor pressure vessel (RPV)during a core melt accident. A fraction of the sensible heat can be removed during the molten jet delivery from the core to the lower plenum, while the remaining sensible heat and the decay heat can be transported by rather complex mechanisms of the counter-current flow limitation (CCFL) and the critical heat flux (CHF)through the irregular, hemispherical gap that may be formed between the freezing oxidic debris and the overheated metallic RPV wall. It is shown that under the pressurized condition of 10MPa with the sensible heat loss being 50% for the reactors considered in this study, i.e. TMI-2, KORI-2 like, YGN-3&4 like and KNGR like reactors, the heat removal through the gap cooling mechanism was capable of ensuring the RPV integrity as much as 30% to 40% of the total core mass was relocated to the lower plenum. The sensitivity analysis indicated that the cooling rate of debris coupled with the sensible heat loss was a significant factor The newly proposed heat removal capability map (HRCM) clearly displays the critical factors in estimating the maximum heat removal from the debris in the lower plenum. This map can be used as a first-principle engineering tool to assess the RPV thermal integrity during a core melt accident. The predictive model also provided ith a reasonable explanation for the non-failure of the test vessel in the LAVA experiments performed at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), which apparently indicated a cooling effect of water ingression through the debris-to-vessel gap and the intra-debris pores and crevices.
Podowski, Michael Z.;Podowski, Raf M.;Kim, Dong Ha;Bae, Jun Ho;Son, Dong Gun
Nuclear Engineering and Technology
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v.51
no.8
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pp.1916-1938
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2019
The objective of this paper is to discuss the modeling principles of phenomena governing core degradation/melting and in-vessel melt relocation during severe accidents in light water reactors. The proposed modeling approach has been applied in the development of a new accident simulation package, COMPASS (COre Meltdown Progression Accident Simulation Software). COMPASS can be used either as a stand-alone tool to simulate in-vessel meltdown progression up to and including RPV failure, or as a component of an integrated simulation package being developed in Korea for the APR1400 reactor. Interestingly, since the emphasis in the development of COMPASS modeling framework has been on capturing generic mechanistic aspects of accident progression in light water reactors, several parts of the overall model should be useful for future accident studies of other reactor designs, both PWRs and BWRs. The issues discussed in the paper include the overall structure of the model, the rationale behind the formulation of the governing equations and the associated simplifying assumptions, as well as the methodology used to verify both the physical and numerical consistencies of the overall solver. Furthermore, the results of COMPASS validation against two experimental data sets (CORA and PHEBUS) are shown, as well as of the predicted accident progression at TMI-2 reactor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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