We investigated the heat load imposed on the lower head of a reactor vessel by the natural convection of the oxide pool in a severe accident. Mass transfer experiments using a $CuSO_4-H_2SO_4$ electroplating system were performed based on the analogy between heat and mass transfer. The $Ra^{\prime}_H$ of $10^{14}$ order was achieved with a facility height of only 0.1 m. Three different volumetric heat sources were compared; two had identical configurations to those previously reported, and the other was designed by the authors. The measured Nu's of the lower head were about 30% lower than those previously reported. The measured angular heat flux ratios were similar to those reported in existing studies except for the peaks appearing near the top. The volumetric heat sources did not affect the Nu of the lower head but affected the Nu of the top plate by obstructing the rising flow from the bottom.
As an in-vessel retention (IVR) design concept in coping with a severe accident in the nuclear power plant during which time a considerable amount of core material may melt, external cooling of the reactor vessel has been suggested to protect the lower head from overheating due to relocated material from the core. The efficiency of the ex-vessel management may be estimated by the thermal margin defined as the ratio of the critical heat flux (CHF)to the actual heat flux from the reactor vessel. Principal factors affecting the thermal margin calculation are the amount of heat to be transferred downward from the molten pool, variation of heat flux with the angular position, and the amount of removable heat by external cooling In this paper a thorough literature survey is made and relevant models and correlations are critically reviewed and applied in terms of their capabilities and uncertainties in estimating the thermal margin to potential failure of the vessel on account of the CHF Results of the thermal margin calculation are statistically treated and the associated uncertainties are quantitatively evaluated to shed light on the issues requiring further attention and study in the near term. Our results indicated a higher thermal margin at the bottom than at the top of the vessel accounting for the natural convection within the hemispherical molten debris pool in the lower plenum. The information obtained from this study will serve as the backbone in identifying the maximum heat removal capability and limitations of the IVR technology called the Cerium Attack Syndrome Immunization Structures (COASISO) being developed for next generation reactors.
Kim, Hoe-Woong;Joo, Young-Sang;Park, Sang-Jin;Kim, Sung-Kyun
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.4
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pp.776-783
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2020
As the refueling of a sodium-cooled fast reactor is conducted by rotating part of the reactor head without opening it, the monitoring of existing obstacles that can disturb the rotation of the reactor head is one of the most important issues. This paper deals with the ultrasonic ranging technique that directly monitors the existence of possible obstacles located in a lateral gap between the upper internal structure and the reactor core in a prototype generation IV sodium-cooled fast reactor (PGSFR). A 10 m long plate-type ultrasonic waveguide sensor, whose feasibility has been successfully demonstrated through preliminary tests, was employed for the ultrasonic ranging technique. The design of the sensor's wave radiating section was modified to improve the radiation performance, and the radiated field was investigated through beam profile measurements. A test facility simulating the lower part of the upper internal structure and the upper part of the reactor core with the same shapes and sizes as those in the PGSFR was newly constructed. Several under-water performance tests were then carried out at room temperature to investigate the applicability of the developed ranging technique using the plate-type ultrasonic waveguide sensor with the actual geometry of the PGSFR's internal structures.
The present study is concerned with the extension of the Effective Convectivity Model (ECM) to the phase-change problem to simulate the dynamics of the melt pool formation in a Light Water Reactor (LWR) lower plenum during hypothetical severe accident progression. The ECM uses heat transfer characteristic velocities to describe turbulent natural convection of a melt pool. The simple approach of the ECM method allows implementing different models of the characteristic velocity in a mushy zone for non-eutectic mixtures. The Phase-change ECM (PECM) was examined using three models of the characteristic velocities in a mushy zone and its performance was compared. The PECM was validated using a dual-tier approach, namely validations against existing experimental data (the SIMECO experiment) and validations against results obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The results predicted by the PECM implementing the linear dependency of mushy-zone characteristic velocity on fluid fraction are well agreed with the experimental correlation and CFD simulation results. The PECM was applied to simulation of melt pool formation heat transfer in a Pressurized Water Reactor (PWR) and Boiling Water Reactor (BWR) lower plenum. The study suggests that the PECM is an adequate and effective tool to compute the dynamics of core melt pool formation.
Song, Min Seop;Park, Il Woong;Kim, Eung Soo;Lee, Yeon-Gun
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.1
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pp.72-83
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2022
This paper presents a numerical investigation of two-phase natural circulation flows established when external reactor vessel cooling is applied to a severe accident of the APR1400 reactor for the in-vessel retention of the core melt. The coolability limit due to external reactor vessel cooling is associated with the natural circulation flow rate around the lower head of the reactor vessel. For an elaborate prediction of the natural circulation flow rate using a thermal-hydraulic system code, MARS-KS1.5, a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation is conducted to estimate the flow rate and pressure distribution of a liquid-state coolant at the brink of significant void generation. The CFD calculation results are used to determine the loss coefficient at major flow junctions, where substantial pressure losses are expected, in the nodalization scheme of the MARS-KS code such that the single-phase flow rate is the same as that predicted via CFD simulations. Subsequently, the MARS-KS analysis is performed for the two-phase natural circulation regime, and the transient behavior of the main thermal-hydraulic variables is investigated.
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.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.05a
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pp.166-171
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1997
LPMS(Loose Part Monitoring System)는 원자로 및 냉각재계통내에서 발생하는 금속파편의 검출 및 분석을 위하여 사용되는 진단 장비이다. 본 논문에서는 RPV(Reactor Pressure Vessel)의 상부헤드(closure head)와 하부헤드(lower head)에서의 금속파편의 충격위치를 평가하는 LPMS를 위한 새로운 기법을 제안하고, Mock-up에서의 실험을 통하여 그 효용성을 검증하였다. 즉, 수정된 원교차법을 제안하고, 이를 반구로 모델링된 RPV의 상ㆍ하부헤드에 존재하는 금속파편의 위치평가에 적용하므로써 정확한 충격위치를 찾을 수 있음을 보였다. 이들 결과는 충격물질의 질량이나 에너지를 계산하는데 정확한 정보를 제공해 줄 수가 있다.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.11a
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pp.309-314
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1996
Feasibility study has been accomplished to evaluate the effectiveness of the in-vessel core debris cooling through lower cavity flooding using two dimensional finite difference scheme. The volume of cerium pool and decay power rate generated in corium pool were evaluated as important parameters to the temperature distribution on the reactor vessel lower head through previous works. In this study, the corium volume based on the System 80+ core structure and time dependent decay power rate are considered for feasibility evaluation. In addition, preliminary plans for the in-vessel core debris cooling through lower cavity flooding as severe accident management strategy, i.e. flooding timing, method and capacity, are suggested based on the result of the numerical study, international tendency related to in-vessel core debris cooling through lower cavity flooding.
Sohag, Faruk A.;Beck, Faith R.;Mohanta, Lokanath;Cheung, Fan-Bill;Segall, Albert E.;Eden, Timothy J.;Potter, John K.
Nuclear Engineering and Technology
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v.49
no.1
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pp.124-133
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2017
In-vessel retention by passive external reactor vessel cooling under severe accident conditions is a viable approach for retention of radioactive core melt within the reactor vessel. In this study, a new and versatile coating technique known as "cold spray" that can readily be applied to operating and advanced reactors was developed to form a microporous coating on the outer surface of a simulated reactor lower head. Quenching experiments were performed under simulated in-vessel retention by passive external reactor vessel cooling conditions using test vessels with and without cold spray coatings. Quantitative measurements show that for all angular locations on the vessel outer surface, the local critical heat flux (CHF) values for the coated vessel were consistently higher than the corresponding CHF values for the bare vessel. However, it was also observed for both coated and uncoated surfaces that the local rate of boiling and local CHF limit vary appreciably along the outer surface of the test vessel. Nonetheless, results of this intriguing study clearly show that the use of cold spray coatings could enhance the local CHF limit for downward-facing boiling by > 88%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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