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.
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.
If a reactor vessel is failed to retain a molten corium in a postulated severe accident, the molten corium is released outside the reactor vessel into a reactor cavity. The molten corium would attack the concrete wall and basemat of the reactor cavity, which may lead to inevitable concrete decompositions and possible radiological releases. In the OECD/MCCI project, a series of tests were performed to secure the data for cooling the molten corium spread out at the reactor cavity and for the long-term CCI (Core Concrete Interaction). Also, a MCCI (Molten Core Concrete Interaction) analysis code, CORQUENCH was upgraded at Argonne National Laboratory with embedding the new models developed for the tests. This paper deals with analyses of MCCI at plant scale under the conditions of top flooding using the upgraded CORQUENCH code. The modeling approach is briefly summarized first, followed by presentation of a validation calculation that illustrates the predicative capability of the modeling tool. With this background in place, the model is then used to carry out a parametric set of scoping calculations that define approximate coolability envelopes for the LCS (Limestone Common Sand) concrete that has been evaluated in the OECD/MCCI project.
LAVA-ERVC experiments have been performed to investigate the effect of insulation design features on the coolability in case of the external reactor vessel cooling (ERVC). All the 4 tests have been performed using Alumina iron thermite melt as a corium simulant. Due to the limited steam venting through the insulation, steam binding occurred inside the annulus in the KSNP case simulation. On the contrary, in the tests which were performed for simulating the APR1400 insulation design, sufficient water ingression and steam venting through the insulation lead to effective cool down of the vessel characterized by nucleate boiling. It could be found from the experimental results that modification of the insulation design allowing sufficient ventilation could increase the positive effects of the external reactor vessel cooling.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.05b
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pp.669-674
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1996
The analysis for the coolability of the reactor cavity in typical Korean 1000 MWe Nuclear Unit under severe accidents is performed using MELCOR 1.8.3 code. The key parameters molten core-concrete interaction(MCCI) such as melt temperature, concrete ablation history and gas generation are investigated. Total twenty cases are selected according to ejected debris fraction and coolant mass, The ablation rate of concrete decreases as mass of the melt decreases and coolant mass increases. Heat loss from molten pool to coolant is comparable to total decay heat, so concrete ablation is delayed until water is absent and crust begins to remove. Also, overpressurization due to non-condensible gases generated during corium and concrete interacts can cause to additional risk of containment failure. It is concluded that flooded reactor cavity condition is very important to minimize the cavity ablation and pressure load by non-condensible gases on containment.
The coolability of the debris bed with a simulant of solidified corium is experimentally studied, focusing on the effects of the structure of the axial stratified debris bed on the dryout heat flux (DHF). DHF was obtained for the four structures with different particle sizes for the axial stratified debris bed under top flooding. The experimental results show that the dryout position of the axial stratified debris bed is formed at the stratified interface indicated by the temperature rise, and the DHF of the axial stratified bed is much lower than that of the homogeneous bed packed with the upper small particles. To predict the dryout heat flux of the stratified debris beds, by considering the properties of the mixed area, a one-dimensional dryout heat flux model of the porous medium is derived from a water and vapor momentum equation for porous medium, two-phase permeability modifications, interfacial drag, and the correlation between capillary pressure and liquid saturation and verified with the experimental data. The modified model can give reasonable results under different structures.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.05a
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pp.473-478
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1997
A severe accident management strategy, in-vessel retention corium through external reactor vessel cooling(ERVC) is being studied worldwide as a means to prevent reactor vessel failure following a core melt accident. An evaluation of feasibility of this ERVC for a large Advanced Light Water Reactor (ALWR) is presented. To account for the coolability of corium and metal in the reactor vessel, a thermal analysis is performed using an existing method. Results show that the peak heat flux along the inner surface of the reactor vessel lower head has a relatively smaller margin than a small capacity reactor such as AP600 in regards with the critical heat flux attainable at the outer surface of the reactor vessel lower head.
Kim, Eunho;Jung, Woo Hyun;Park, Jin Ho;Park, Hyun Sun;Moriyama, Kiyofumi
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.2
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pp.457-469
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2016
During the late phase of severe accidents of light water reactors, a porous debris bed is expected to develop on the bottom of the flooded reactor cavity after breakup of the melt in water. The geometrical configuration, i.e., internal and external characteristics, of the debris bed is significant for the adequate assessment of the coolability of the relocated corium. The internal structure of a debris bed was investigated experimentally using the DAVINCI (Debris bed research Apparatus for Validation of the bubble-Induced Natural Convection effect Issue) test facility. Particle sedimentation under the influence of a two-phase natural convection flow due to the decay heat in the debris bed was simulated by dropping various sizes of particles into a water vessel with air bubble injection from the bottom. Settled particles were collected and sieved to obtain the particle mass, size distribution in the radial and axial positions, and the bed porosity and permeability. The experimental results showed that the center part of the particle bed tended to have larger particles than the peripheral area. For the axial distribution, the lower layer had a higher fraction of larger particles. As the sedimentation progressed, the size distribution in the upper layers can shift to larger sizes because of the higher vapor generation rate and stronger flow intensity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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