In nuclear thermal-hydraulic system codes, most correlations used for vertical pipes, under downward two-phase flow, have been developed considering small pipes or pool systems. This suggests that there could be uncertainties in applying the correlations to accident scenarios involving large vertical pipes owing to the difference in the characteristics of two-phase flows, or flow conditions, between large and small pipes. In this study, we modified the Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety KINS Standard (MARS-KS) code using correlations, such as the drift-flux model and two-phase multiplier, developed in a plant-scale air-inflow experiment conducted for a pipe of diameter 600 mm under downward two-phase flow. The results were then analyzed and compared with those based on previous correlations developed for small pipes and pool conditions. The modified code indicated a good estimation performance in two plant-scale experiments with large pipes. For the siphon-breaking experiment, the maximum errors in water flow for modified and original codes were 2.2% and 30.3%, respectively. For the air-inflow accident experiment, the original code could not predict the trend of frictional pressure gradient in two-phase flow as / increased, while the modified MARS-KS code showed a good estimation performance of the gradient with maximum error of 3.5%.
피동원자로건물냉각계통(Passive Containment Cooling System; PCCS)은 전원 공급 없이도 원자로건물 내부의 열을 제거하여 그 건전성을 유지시키기 위한 안전설비이다. 본 연구에서는 현재 연구중인 PCCS를 1400 MWe 가압경수형 원전(APR1400)에 설치하는 경우 PCCS 성능을 분석하였다. 분석도구로 계통열수력분석코드 MARS-KS1.3을 사용하였다. PCCS의 성능분석을 위해 APR 1400 표준안전성분석 보고서를 참고하여 원자로건물 내부의 최대압력을 유발하는 사고 시나리오인 저온관 양단 파단사고를 모의하였다. 이 계산에서는 PCCS, 원자로냉각계통 및 원자로건물의 열수력을 동시에 모의하였다. 계산결과를 통해 기존의 원자로건물 살수계통을 대체하여 PCCS가 원자로건물의 건전성을 유지시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 PCCS의 성능에 영향을 줄 수 있는 여러 인자를 변경해가며 민감도 분석을 수행하였고 PCCS의 문제점도 확인하였다.
MARS-KS, a domestic regulatory confirmatory code of Republic of Korea, had been developed by integrating RELAP5/MOD2 and COBRA-TF. The integration of COBRA-TF allowed to extend the capability of MARS-KS, limited to one-dimensional analysis, to multi-dimensional analysis. The use of COBRA-TF was mainly focused on subchannel analyses for simulating multi-dimensional behavior within the reactor core. However, this feature has been remained as a legacy without ongoing maintenance. Meanwhile, MARS-KS also includes its own multidimensional component, namely MULTID, which is also feasible to simulate three-dimensional convection and diffusion. The MULTID is capable of modeling the turbulent diffusion using simple mixing length model. The implementation of the turbulent mixing is of importance for analyzing the reactor core where a disturbing cross-sectional structure of rod bundle makes the flow perturbation and corresponding mixing stronger. In addition, the presence of this turbulent behavior allows the secondary transports with net mass exchange between subchannels. However, a series of assessments performed in previous studies revealed that the turbulence model of the MULTID could not simulate the aforementioned effective mixing occurred in the subchannel-scale problems. This is obvious consequence since the physical models of the MULTID neglect the effect of mass transport and thereby, it cannot model the void drift effect and resulting phasic distribution within a bundle. Thus, in this study, the turbulence mixing model of the MULTID has been improved by means of the inter-channel mixing model, widely utilized in subchannel analysis, in order to extend the application of the MULTID to small-scale problems. A series of assessments has been performed against rod bundle experiments, namely GE 3X3 and PSBT, to evaluate the performance of the introduced mixing model. The assessment results revealed that the application of the inter-channel mixing model allowed to enhance the prediction of the MULTID in subchannel scale problems. In addition, it was indicated that the code could not predict appropriate phasic distribution in the rod bundle without the model. Considering that the proper prediction of the phasic distribution is important when considering pin-based and/or assembly-based expressions of the reactor core, the results of this study clearly indicate that the inter-channel mixing model is required for analyzing the rod bundle, appropriately.
This study presents a CRUD modelling to simulate the thermal resistance behavior of CRUD, deposited on the surface of a cladding tube of a fuel assembly. When heat produced from fuels transfers to a coolant through a cladding tube, the CRUD acting as an additional thermal resistance is expressed as two layers, i.e., a solid oxide layer and an imaginary fluid layer, which are added to the experimental tube's heat structure of the MARS-KS input data. The validation calculation for the experiments performed in UNIST-DISNY facility showed that the center and surface temperatures of the cladding tube increased as the porosity and the steam amount inside pores of the CRUD got higher. In addition, the temperature gradient in the imaginary fluid layer was calculated to be larger than that in the solid oxide part, indicating that the steam amount inside the layer acted more largely as thermal resistance. It was also evaluated through sensitivity calculations that the cladding tube temperature was more sensitive to the CRUD porosity and the steam amount in pores than to the inlet flow rate of the coolant.
A combined safety approach, which uses a best-estimate computer code and adopts conservative assumptions for safety systems availability, is developed and applied to the safety margin evaluation for the Loss of Condenser Vacuum (LOCV) of the 1000 MWe Korean Nuclear Power Plant. The Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety-KINS standard (MARS-KS) code is selected as a best-estimate code and the PAPIRUS program is used to obtain different initial operational conditions through random sampling of control variables. During an LOCV event, fuel integrity is not threatened by the increase in Departure from Nuclear Boiling Ratio (DNBR). However, the high pressure in the primary coolant system and the secondary system might affect the system integrity. Thus, the peak pressure becomes a major safety concern. Transient analyses are performed for 124 cases of different initial conditions and the most conservative case, which results in the highest system pressure is selected. It is found the suggested methodology gives similar peak pressures when compared to those predicted from existing methodologies. The proposed approach is expected to minimize the time and efforts required to identify the conservative plant conditions in the existing conservative safety methodologies.
This study aims to develop and advance the evaluation technology for assessing PHWR safety. For this purpose, the complete loss of AC power or station blackout (SBO) was selected as a target accident scenario and the analysis model to evaluate the plant responses was envisioned into the MARS-KS input model. The model includes the main features of the primary heat transport system with a simplified model for the horizontal fuel channels, the secondary heat transport system including the shell side of steam generators, feedwater and main steam line, and moderator system. A steady state condition was achieved successfully by running the present model to check out the stable convergence of the key parameters. Subsequently, through the SBO transient analyses two cases with and without the coolant leakage via the PHTS pumps were simulated and the behaviors of the major parameters were compared. The sensitivity analysis on the amount of the coolant leakage by varying its flow area was also performed to investigate the effect on the system responses. It is expected that the results of the present study will contribute to upgrading the evaluation technology of the detailed thermal hydraulic analysis on the SBO transient of the operating PHWRs.
The critical flow phenomenon has been studied because of its significant effect for design basis accidents in nuclear power plants. Transition points from thermal non-equilibrium to equilibrium are different according to the geometric effect on the critical flow. This study evaluates the uncertainty parameters of the critical flow model for analysis of DBA (Design Basis Accident) with the MARS-KS (Multi-dimensional Analysis for Reactor Safety-KINS Standard) code used as an independent regulatory assessment. The uncertainty of the critical flow model is represented by three parameters including the thermal non-equilibrium factor, discharge coefficient, and length to diameter (L/D) ratio, and their ranges are determined using large-scale Marviken test data. The uncertainty range of the thermal non-equilibrium factor is updated by the MCDA (Model Calibration through Data Assimilation) method. The updated uncertainty range is confirmed using an LBLOCA (Large Break Loss of Coolant Accident) experiment in the LOFT (Loss of Fluid Test) facility. The uncertainty ranges are also used to calculate an LBLOCA of the APR (Advanced Power Reactor) 1400 NPP (Nuclear Power Plants), focusing on the effect of the PCT (Peak Cladding Temperature). The results reveal that break flow is strongly dependent on the degree of the thermal non-equilibrium state in a ruptured pipe with a small L/D ratio. Moreover, this study provides the method to handle the thermal non-equilibrium factor, discharge coefficient, and length to diameter (L/D) ratio in the system code.
On March 11, 2011, an earthquake followed by a tsunami caused an extended station blackout (SBO) at the Fukushima Dai-ichi NPP Units. The accident was initiated by a total loss of both onsite and offsite electrical power resulting in the loss of the ultimate heat sink for several days, and a consequent core melt in some units where proper mitigation strategies could not be implemented in a timely fashion. To enhance the plant's coping capability, the Diverse and Flexible Strategies (FLEX) were proposed to append the Emergency Operation Procedures (EOPs) by relying on portable equipment as an additional line of defense. To assess the success window of FLEX strategies, all sources of uncertainties need to be considered, using a physics-based model or system code. This necessitates conducting a large number of simulations to reflect all potential variations in initial, boundary, and design conditions as well as thermophysical properties, empirical models, and scenario uncertainties. Alternatively, data-driven models may provide a fast tool to predict the success window of FLEX strategies given the underlying uncertainties. This paper explores the applicability of Artificial Intelligence (AI) to identify the success window of FLEX strategy for extended SBO. The developed model can be trained and validated using data produced by the lumped parameter thermal-hydraulic code, MARS-KS, as best estimate system code loosely coupled with Dakota for uncertainty quantification. A Systems Engineering (SE) approach is used to plan and manage the process of using AI to predict the success window of FLEX strategies under extended SBO conditions.
Na, Min Wook;Shin, Doyoung;Park, Jae Hyung;Lee, Jeong Ik;Kim, Sung Joong
Nuclear Engineering and Technology
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제52권5호
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pp.964-974
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2020
The small modular reactors (SMRs) of the integrated pressurized water reactor (IPWR) type have been widely developed owing to their enhanced safety features. The SMR-IPWR adopts passive residual heat removal system (PRHRS) to extract residual heat from the core. Because the PRHRS removes the residual heat using the latent heat of the water stored in the emergency cooldown tank, the PRHRS gradually loses its cooling capacity after the stored water is depleted. A quick restoration of the power supply is expected infeasible under station blackout accident condition, so an advanced PRHRS is needed to ensure an extended grace period. In this study, an advanced design is proposed to indirectly incorporate a dry air cooling tower to the PRHRS through an intermediate loop called indefinite PRHRS. The feasibility of the indefinite PRHRS was assessed through a long-term transient simulation using the MARS-KS code. The indefinite PRHRS is expected to remove the residual heat without depleting the stored water. The effect of the environmental temperature on the indefinite PRHRS was confirmed by parametric analysis using comparative simulations with different environmental temperatures.
Chemical decontamination of primary systems in a nuclear power plant (NPP) prior to commencing the main decommissioning activities is required to reduce radiation exposure during its process. The entire process is repeated until the desired decontamination factor is obtained. To achieve improved decontamination factors over a shorter time with fewer cycles, the appropriate flow characteristics are required. In addition, to prepare an operating procedure that is adaptable to various conditions and situations, the transient analysis results would be required for operator action and system impact assessment. In this study, the flow characteristics in the steady-state and transient conditions for the chemical decontamination operations of the Kori-1 NPP were analyzed and compared via the MARS-KS code simulation. Loss of residual heat removal (RHR) and steam generator tube rupture (SGTR) simulations were conducted for the postulated abnormal events. Loss of RHR results showed the reactor coolant system (RCS) temperature increase, which can damage the reactor coolant pump (RCP)s by its cavitation. The SGTR results indicated a void formation in the RCS interior by the decrease in pressurizer (PZR) pressure, which can cause surface exposure and tripping of the RCPs unless proper actions are taken before the required pressure limit is achieved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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