Motivated by reducing the uncertainties in quantification of debris bed coolability, this paper reports an experimental study on two-phase flow resistances and interfacial drag in packed porous beds. The experiments are performed on the DEBECO-LT (DEbris BEd COolability-Low Temperature) test facility which is constructed to investigate the adiabatic single and two phase flow in porous beds. The pressure drops are measured when air-water two phase flow passes through the porous beds packed with different size particles, and the effects of interfacial drag are studied especially. The results show that, for two phase flow through the beds packed with small size particles such as 1.5 mm and 2 mm spheres, the contribution of interfacial drag to the pressure drops is weak and ignorable, while the significant effects are conducted on the pressure drops of the beds with bigger size particles like 3 mm and 6 mm spheres, where the interfacial drag in beds with larger particles will result in a descent-ascent tendency in the pressure drop curves along with the fluid velocity, and the effect of interfacial drag should be considered in the debris coolability analysis models for beds with bigger size particles.
The interaction and mixing of high-temperature melt and water is the important technical issue in the safety assessment of water-cooled reactors to achieve ultimate core coolability. For specific advanced light water reactor (ALWR) designs, deliberate mixing of the core-melt and water is being considered as a mitigative measure, to assure ex-vessel core coolability. The paper provides the background of past experiments as well as key fundamentals that are needed for melt-water interfacial transport phenomena, thus enabling the development of innovative safety technologies for advanced LWRs that will assure ex-vessel core coolability.
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.
Venkateswarlu S.;Hemanth Rao E.;Prasad Reddy G.V.;Sanjay Kumar Das;Ponraju D.;Venkatraman B.
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3864-3871
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2024
In case of a hypothetical severe accident in a Sodium-cooled Fast Reactor (SFR), coolability of the debris bed in the post-accident phase plays a vital role in mitigating the accident and ensuring the structural integrity of the reactor vessel. Few numerical studies are reported in literature, in which the boiling heat transfer in debris bed is expressed as equivalent heat conduction using similarity law between heat conduction and two-phase heat transfer. However, these studies assumed steady state mass conservation for the boiling zone and neglected the gravity force. Hence, a detailed study has been carried out for various particle sizes and porosities of SFR debris to investigate the influence of above considerations. The effect of gravity on debris bed coolability is studied using steady state model of Lipinski, which showed that gravity has a non-negligible effect, for particle size of 0.3 mm and porosity of 0.5. However, the gravitation force was found to have a negligible effect in dryout heat flux estimation for the bottom cooled configuration. A transient numerical model is developed for simulating the boiling phenomena in debris beds and validated with the published experimental results. The assumption of steady state mass conservation is verified by carrying out transient analysis, which indicated early prediction of the dryout inception. For time dependent heat generation case, the unsteady mass conservation predicted higher DHF compared to constant heat generation.
The downward discharge of the molten fuel to the lower structure of the fuel assembly could increase of the pressure drop and degrade of coolability of the assembly. To analyze the phenomena, experiments for the generation of the debris bed were conducted as LOF-DT series. Based on the debris bed in the LOF-DT, pressure drop experiment was conducted with intact and blocked component. Parametric study on the pressure drop was conducted by CFD. The LOF-DT experiments were conducted for the position and porosity of the debris bed. 85% of the debris were sedimented in the lower reflector, and 15% were in the nose piece, approximately. Porosity of the debris bed were about 0.7 and 0.85 in the lower reflector and nose piece, respectively. Pressure drop increased significantly with debris bed, especially in the lower reflector. More than 120 time of the pressure drop increased in the lower reflector, while only 10% increased in the nose piece. According to the parametric study, mass of the debris was the most important for pressure drop. The lower discharge phenomena could have a significant effect to the total pressure drop of the fuel assembly, approximately 10.8 times for the base case.
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.
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.
A model for thermal interactions of debris/water with gas flow from within and below debris bed was presented for severe accident analysis in LWR. The consumption of steam, production of hydrogen in the debris bed, generation of gases from below debris bed and generation of chemical heat are included in the conservation equations. The model has been incorporated in the MARCH code to estimate the gas production due to both metal/oxidation and hot debris/concrete interaction. The results indicate that the hydrogen source can potentially give a significant impact on the containment pressure transient and the conductive heat loss to concrete and the convective gas cooling in the debris bed have a small effect on the debris bed coolability. However, the reheating and melting of the debris particles could be delayed by the interaction of debris with concrete.
During the long-term cooling (LTC) phase of a loss-of-coolant accident (LOCA) in a pressurized water reactor (PWR), water is supplied from the containment sump to the reactor coolant system (RCS) by the flooded sump water to the Reactor Vessel (RV) through the broken pipes. As part of the technical efforts for resolving GSI-191 [( Reid and Crytzer, May. 2007) 1, consideration is needed for the consequences of debris penetrating the sump screen and propagating downstream into the RV. Injection of debris (fiberglass) into the RV during the LTC recirculation phase needs special attention to assure that reactor core cooling is maintained. The point of concern is the potential for debris to adversely affect the reactor core flow paths or heat transfer [2]. However, all the experiments for proving the coolability of RV have been done with the assumption of the most of debris would be transferred to the RV and the bottom nozzle of the FAs. The purpose of the tests is to quantify the amount of the debris that would be accumulated at the lower plenum and the debris that passes through the FAs since non-conservatism of other researches assumptions that have been used in the past experimental or analytical programs.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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