The hydrogen behavior in a nuclear containment vessel is a significant issue when discussing the potential of hydrogen combustion during a severe accident. After the Fukushima-Daiichi accident in Japan, we have investigated in-depth the hydrogen transport mechanisms by utilizing experimental and numerical approaches. Computational fluid dynamics is a powerful tool for better understanding the transport behavior of gas mixtures, including hydrogen. This paper describes a Large-eddy simulation of gas mixing driven by a high-buoyancy flow. We focused on the interaction behavior of heat and mass transfers driven by the horizontal high-buoyant flow during density stratification. For validation, the experimental data of the Containment InteGral effects Measurement Apparatus (CIGMA) facility were used. With a high-power heater for the gas-injection line in the CIGMA facility, a high-temperature flow of approximately 390 ℃ was injected into the test vessel. By using the CIGMA facility, we can extend the experimental data to the high-temperature region. The phenomenological discussion in this paper helps understand the heat and mass transfer induced by the high-buoyancy flow in the containment vessel during a severe accident.
Allelein, Hans-Josef;Reinecke, Ernst-Arndt;Belt, Alexander;Broxtermann, Philipp;Kelm, Stephan
Nuclear Engineering and Technology
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v.44
no.3
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pp.249-260
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2012
Main focus of the combined nuclear research activities at Aachen University (RWTH) and the Research Center J$\ddot{u}$lich (J$\ddot{U}$LICH) is the experimental and analytical investigation of containment phenomena and processes. We are deeply convinced that reliable simulations for operation, design basis and beyond-design basis accidents of nuclear power plants need the application of so-called lumped-parameter (LP) based codes as well as computational fluid dynamics (CFD) codes in an indispensable manner. The LP code being used at our institutions is the GRS code COCOSYS and the CFD tool is ANSYS CFX mostly used in German nuclear research. Both codes are applied for safety analyses especially of beyond design accidents. Focal point of the work is containment thermal-hydraulics, but source term relevant investigations for aerosol and iodine behavior are performed as well. To increase the capability of COCOSYS and CFX detailed models for specific features, e.g. recombiner behavior including chimney effect, building condenser, and wall condensation are developed and validated against facilities at different scales. The close connection between analytical and experimental activities is notable and identifying feature of the RWTH/J$\ddot{U}$LICH activities.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1997.05a
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pp.464-470
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1997
Severe accident analysis has been performed for the Wolsung nuclear power plants in Korea to investigate severe accident phenomena of CANDU-600 reactors as a part of Level II PSA study. The accident sequence analyzed in this paper is loss of active heat sinks(LOAH) which is caused by loss of off-site power, diesel generators, and DC power. ISAAC (Integrated Severe Accident Analysis Code)computer code developed by KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) was used in this analysis. This paper describes the important thermal-hydraulics and source term behaviors in the primary system and inside containment, and the failure mechanism of calandria vessel and containment. In addition, some insights for accident management program(AMP) are also given.
The accident at Japan's Fukushima Daiichi nuclear power plant in March 2011, caused by an earthquake and a subsequent tsunami, resulted in a failure of the power systems that are needed to cool the reactors at the plant. The accident progression in the absence of heat removal systems caused Units 1-3 to undergo fuel melting. Containment pressurization and hydrogen explosions ultimately resulted in the escape of radioactivity from reactor containments into the atmosphere and ocean. Problems in containment venting operation, leakage from primary containment boundary to the reactor building, improper functioning of standby gas treatment system (SGTS), unmitigated hydrogen accumulation in the reactor building were identified as some of the reasons those added-up in the severity of the accident. The Fukushima accident not only initiated worldwide demand for installation of adequate control and mitigation measures to minimize the potential source term to the environment but also advocated assessment of the existing mitigation systems performance behavior under a wide range of postulated accident scenarios. The uncertainty in estimating the released fraction of the radionuclides due to the Fukushima accident also underlined the need for comprehensive understanding of fission product behavior as a function of the thermal hydraulic conditions and the type of gaseous, aqueous, and solid materials available for interaction, e.g., gas components, decontamination paint, aerosols, and water pools. In the light of the Fukushima accident, additional experimental needs identified for hydrogen and fission product issues need to be investigated in an integrated and optimized way. Additionally, as more and more passive safety systems, such as passive autocatalytic recombiners and filtered containment venting systems are being retrofitted in current reactors and also planned for future reactors, identified hydrogen and fission product issues will need to be coupled with the operation of passive safety systems in phenomena oriented and coupled effects experiments. In the present paper, potential hydrogen and fission product issues raised by the Fukushima accident are discussed. The discussion focuses on hydrogen and fission product behavior inside nuclear power plant containments under severe accident conditions. The relevant experimental investigations conducted in the technical scale containment THAI (thermal hydraulics, hydrogen, aerosols, and iodine) test facility (9.2 m high, 3.2 m in diameter, and $60m^3$ volume) are discussed in the light of the Fukushima accident.
Burkhardt, Joerg;Schwarz, Siegfried;Koch, Marco K.
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.9
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pp.1135-1142
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2009
The activities related to this paper are to investigate the influence of nodalisation on simulating atmospheric stratification in the THAI experiment TH13 (ISP-47) with the German containment code COCOSYS. This article focuses on different nodalisations of the vessel dome, where an atmospheric stratification occurred due to a high helium content. The volume of the dome was divided into several levels that were varied horizontally into different geometries. These geometries differ in the number of zones as well as in the existence of zones that enable the direct rise of an ascending steam plume into the vessel dome. Additionally, the vertical subdivision of the vessel dome was increased to simulate density gradients in a more detailed way. It was pointed out that the proper simulation of atmospheric stratifications and their dissolution depends on both a suitable horizontal as well as vertical nodalisation scheme. Besides, the treatment of fog droplets has an influence if their settlement is not simulated correctly. This report gives an overview of the gained experience and provides nodalisation requirements to simulate atmospheric stratifications and their proper dissolution.
A passive containment cooling system has been designed to remove the heat inside a containment during accidents without external power supply. In this work, the PCCS was introduced in the APR1400 plant to replace the containment spray system and, then, the thermal-hydraulic performance of the PCCS was analyzed using the system thermal-hydraulic computer code, MARS. A double-ended cold-leg break accident, which is known to induce the maximum pressure in the containment, is simulated, where the thermal hydraulics of the PCCS, the reactor coolant system, and the containment are simultaneously simulated. The results of the calculations showed that the PCCS can replace the existing spray system and that the containment building and its internal structure also play a very important role for the heat removal during the accident. Some sensitivity calculations were carried out to evaluate the model uncertainty and the effects of design parameters. The limitations of the PCCS are also discussed.
Park, Choon K.;Chul H. Song;Soon Y. Won;Seok Cho;Moon K. Chung
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.05b
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pp.61-66
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1996
High pressure. high temperature steam/water blowdown test loop has been constructed. The loop simulates a pressurizer. depressurizalion system and In-Containment Refueling Water Storage Tank (IRWST) with full pressure and temperature conditions. and will be used to generate data for development of an optimal sparser as well as for design of safety/automatic depressurization system. In addition. experiments for reactor safety and pressurizer thermal hydraulics are scheduled. In this paper. general description of the Blowdown and Condensation (B&C) Loop will be given together with the test program.
Shu Soma;Masahiro Ishigaki;Satoshi Abe;Yasuteru Sibamoto
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.7
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pp.2524-2533
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2024
When analyzing containment thermal-hydraulics, computational fluid dynamics (CFD) is a powerful tool because multi-dimensional and local analysis is required for some accident scenarios. According to the previous study, neglecting steam bulk condensation in the CFD analysis leads to a significant error in boundary layer profiles. Validating the condensation model requires the experimental data near the condensing surface, however, available boundary layer data is quite limited. It is also important to confirm whether the heat and mass transfer analogy (HMTA) is still valid in the presence of bulk condensation. In this study, the boundary layer measurements on the vertical condensing surface in the presence of air were performed with the rectangular channel facility WINCS, which was designed to measure the velocity, temperature, and concentration boundary layers. We set the laminar flow condition and varied the Richardson number (1.0-23) and the steam volume fraction (0.35-0.57). The experimental results were used to validate CFD analysis and HMTA models. For the former, we implemented a bulk condensation model assuming local thermal equilibrium into the CFD code and confirmed its validity. For the latter, we validated the HMTA-based correlations, confirming that the mixed convection correlation reasonably predicted the sum of wall and bulk condensation rates.
R. Kapulla;S. Paranjape;U. Doll;E. Kirkby;D. Paladino
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.11
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pp.4348-4358
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2022
The thermal-hydraulics phenomena in a containment during an accident will necessarily include radiative heat transfer (i) within the gas mixture due to the high radiative absorption and emission of steam and (ii) between the gas mixture and the surrounding structures. The analysis of some previous PANDA experiments (PSI, Switzerland) demonstrated the importance of the proper modelling of radiation for the benefit of numerical simulations. These results together with dedicated scoping calculations conducted for the present experiments indicated that the radiative heat transfer is considerable, even for a very low amount of steam (≈2%). The H2P2 series conducted in the large-scale PANDA facility at the Paul-Scherrer-Institut (PSI) in the framework of the OECD/NEA HYMERES-2 project is intended to enhance the understanding of thermal radiation phenomena and to provide a benchmark for corresponding numerical simulations. Thus, the test matrix was tailored around the two opposite extremes: either gas compositions with small steam content such that radiative heat transfer phenomena can be neglected. Or gas mixtures containing larger amounts of steam, so that radiative heat transfer is expected to play a dominant role. The H2P2 series consists of 5 experiments designed to isolate the radiation phenomena from convective and diffusive effects as much as possible. One vessel with a diameter of 4 m and a height of 8 m was preconditioned with different mixtures of air / steam at room and elevated temperatures. This was followed by the build-up of a stable helium stratification at constant pressure in the upper part of the vessel. After that, helium was injected from the top into the vessel which leads to an increase of the vessel pressure and a corresponding elevation-dependent and transient rise of the gas temperature. It is shown that even the addition of small amounts of steam in the initial gas atmosphere considerably impacts the radiative heat transport throughout all phases of the experiments and markedly influences i) the monitored gas peak temperature, ii) the temperature history during the compression and iii) the following relaxation phase after the compression was stopped. These PANDA experiments are the first of its kind conducted in a large scale thermal-hydraulic facility.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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