The severe core meltdown accident, which is not included as a design basis accident, has high consequence and low probability of occurrence and turns out to be a major risk factor in the overall risk assessment. The physical mechanisms of containment failure in core meltdown accidents are identified as steam explosion, debris bed coolability, hydrogen burning, steam spike and concrete interaction. The state of technology review is made for each subtopic about the previous and current researches for better understanding of the phenomenon.
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.
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.
Core disruptive accidents have been investigated at Korea Atomic Energy Research Institute(KAERI) as part of the work to demonstrate the inherent and ultimate safety of conceptual design of the Korea Advanced Liquid Metal Reactor(KALIMER), a 150 MWe pool- type sodium cooled prototype fast reactor that uses U-Pu-Zr metallic fuel. In this study, a simple method and associated computer program, SCHAMBETA, was developed using a modified Bethe-Tait method to simulate the kinetics and thermodynamic behavior of a homogeneous spherical core over the period of the super-prompt critical power excursion induced by the ramp reactivity insertion. Calculations of the energy release during excursions in the sodium-voided core of the KALIMER were subsequently performed using the SCHAMBETA code for various reactivity insertion rates up to 100 S/s, which has been widely considered to be the upper limit of ramp rates due to fuel compaction. Benchmark calculations were made to compare with the results of more detailed analysis for core meltdown energetics of the oxide fuelled fast reactor. A set of parametric studies were also performed to investigate the sensitivity of the results on the various thermodynamics and reactor parameters.
CSPACE (Core meltdown, Safety and Performance Analysis CodE for nuclear power plants) for a simulation of severe accident progression in a Pressurized Water Reactor (PWR) is developed by coupling of verified system thermal hydraulic code of SPACE (Safety and Performance Analysis CodE for nuclear power plants) and core damage progression code of COMPASS (Core Meltdown Progression Accident Simulation Software). SPACE is responsible for the description of fluid state in nuclear system nodes, while COMPASS is responsible for the prediction of thermal and mechanical responses of core fuels and reactor vessel heat structures. New heat transfer models to each phase of the fluid, flow blockage, corium behavior in the lower head are added to COMPASS. Then, an interface module for the data transfer between two codes was developed to enable coupling. An implicit coupling scheme of wall heat transfer was applied to prevent fluid temperature oscillation. To validate the performance of newly developed code CSPACE, we analyzed typical severe accident scenarios for OPR1000 (Optimized Power Reactor 1000), which were initiated from large break loss of coolant accident, small break loss of coolant accident, and station black out accident. The results including thermal hydraulic behavior of RCS, core damage progression, hydrogen generation, corium behavior in the lower head, reactor vessel failure were reasonable and consistent. We demonstrate that CSPACE provides a good platform for the prediction of severe accident progression by detailed review of analysis results and a qualitative comparison with the results of previous MELCOR analysis.
In nuclear power plant (NPP) accidents, the containment is subject to high temperatures and high internal pressures, which may further trigger serious chain accidents such as core meltdown and hydrogen explosion, resulting in a significantly higher accident level. Therefore, studying the mechanical performance of a containment under high temperature and high internal pressure is relevant to the safety of NPPs. Based on similarity principles, the 1:3.2 scale model of a prestressed concrete containment vessel (PCCV) of a NPP was designed. The loading method, which considers the thermal-pressure coupling conditions, was used. The mechanical response of the PCCV was investigated with a simultaneous increase in internal pressure and temperature, and the failure mechanism of the PCCV under thermal-pressure coupling conditions was revealed.
A required initial condition for a steam explosion to occur following core meltdown accidents of a nuclear power plant is the formation of a coarse mixture of molten fuel and water. The extent of a premixing is the measure of efficiency of steam explosion that may follow. A simple one-dimensional, transient model and the flooding criteria have been applied to evaluate the fuel/coolant mixing limit. Also, both instant breakup and dynamic breakup models for the mixing process have been separately used here and compared each other. The results indicate that fuel temperature, ambient pressure, mixing diameter, water depth, and pouring diameter are the important parameters affecting the mixing behavior.
Nuclear power plants contain several monitoring systems that can identify the in-vessel phenomena of a severe accident (SA). Though a lot of analysis and research is carried out on SA, right from the development of the nuclear industry, not all the possible circumstances are taken into consideration. Therefore, to improve the efficacy of the safety of nuclear power plants, additional analytical studies are needed that can directly monitor severe accident phenomena. This paper presents an interacting multiple model (IMM) based fault detection and diagnosis (FDD) approach for the identification of in-vessel phenomena to provide the accident propagation information using reactor vessel (RV) out-wall temperature distribution during severe accidents in a nuclear power plant. The estimation of wall temperature is treated as a state estimation problem where the time-varying wall temperature is estimated using IMM employing three multiple models for temperature evolution. From the estimated RV out-wall temperature and rate of temperature, the in-vessel phenomena are identified such as core meltdown, corium relocation, reactor vessel damage, reflooding, etc. We tested the proposed method with five different types of SA scenarios and the results show that the proposed method has estimated the outer wall temperature with good accuracy.
Reactor cavity cooling systems (RCCSs) comprising passive safety features use the atmosphere as a coolant, which cannot be lost. However, their drawback is that they are easily affected by atmospheric disturbances. To realize the commercial application of the two types of passive RCCSs, namely RCCSs based on atmospheric radiation and atmospheric natural circulation, their safety must be evaluated, that is, they must be able to remove heat from the reactor pressure vessel (RPV) surface at all times and under any condition other than under normal operating conditions. These include both expected and unexpected natural phenomena and accidents. Moreover, they must be able to eliminate the heat leakage emitted from the RPV surface during normal operation. However, utilizing all of the heat emitted from the RPV surface increases the degree of waste heat utilization. This study aims to understand the characteristics and degree of passive safety features for heat removal by comparing RCCSs based on atmospheric radiation and atmospheric natural circulation under the same conditions. It was concluded that the proposed RCCS based on atmospheric radiation has an advantage in that the temperature of the RPV could be stably maintained against disturbances in the ambient air.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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