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.
The multi-dimensional two-phase flow models were developed for analyze the multi-dimensional behaviors or nuclear systems. To verify the simple turbulence model, The single phase mixing problem in a rectangular slab was calculated and compared with the commercial CFD code results. That result shows a good agreement with the CFD result. And the RPI Air-water experiments were simulated to assess the two-phase turbulence model in the multi-dimensional component. The first calculated distribution or void-fraction is highly dispersed and diffusive. It was revealed that the main reason is undesirable stratification force in a horizontal stratified flow regimes. Therefore the horizontally stratified flow regime is deleted because the stratified flow regime is not expected in multi-dimensional flow. With the modification of the flow regime, the predicted flow patterns and void fraction profiles are in good agreement with the measured data.
YU, Seon Oh;CHO, Min Ki;LEE, Kyung Won;BAEK, Kyung Lok
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.16
no.1
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pp.11-21
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2020
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.
As passive safety features for nuclear power plants receive increasing attention, various studies have been conducted to develop safety systems for 3rd-generation (GEN-III) nuclear power plants that are driven by passive systems. The Passive Auxiliary Feedwater System (PAFS) is one of several passive safety systems being designed for the Advanced Power Reactor Plus (APR+), and extensive studies are being conducted to complete its design and to verify its feasibility. Because the PAFS removes decay heat from the reactor core under transient and accident conditions, it is necessary to evaluate the heat removal capability of the PAFS under hypothetical accident conditions. The heat removal capability of the PAFS is strongly dependent on the heat transfer at the condensate tube in Passive Condensation Heat Exchanger (PCHX). To evaluate the model of heat transfer coefficient for condensation, the Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety (MARS) code is used to simulate the experimental results from PAFS Condensing Heat Removal Assessment Loop (PASCAL). The Shah model, a default model for condensation heat transfer coefficient in the MARS code, under-predicts the experimental data from the PASCAL. To improve the calculation result, The Thome model and the new version of the Shah model are implemented and compared with the experimental data.
Lim, Sang Gyu;No, Hee Cheon;Lee, Sang Won;Kim, Han Gon;Cheon, Jong;Lee, Jae Min;Ohk, Seung Min
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.1
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pp.37-50
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2020
A passive containment cooling system (PCCS) has been developed as advanced safety feature for innovative power reactor (iPOWER). Passive systems are inherently less stable than active systems and the PCCS encountered the flashing-induced instability previously identified. The objective of this study is to develop stability maps for flashing-induced instability using MARS (Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety) code. Firstly, we conducted a series of sensitivity analysis to see the effects of time step size, nodalization, and alternative MARS user options on the onset of flashing-induced instability. The riser nodalization strongly affects the prediction of flashing in a long riser of the PCCS, while time step size and alternative user options do not. Based on the sensitivity analysis, a standard input and an analysis methodology were set up to develop the stability maps of PCCS. We found out that the calculated equilibrium quality at the exit of the riser as a stability boundary above 5 kW/㎡ was approximately 1.2%, which was in good agreement with Furuya's results. However, in case of a very low heat flux condition, the onset of instability occurred at the lower equilibrium quality. In addition, it was confirmed that inlet throttling reduces the unstable region.
A hybrid safety injection tank (H-SIT) can enhance the capability of an advanced power reactor plus (APR+) during a station black out (SBO) that is accompanied by a severe accident. It may a useful alternative to an electric motor. The operations strategy of the H-SIT has to be investigated to achieve maximum utilization of its function. In this study, the master logic diagram (i.e., an analysis for identifying the differences between an H-SIT and a safety injection pump) and an accident case classification were used to determine the parameters of the H-SIT operation. The conditions that require the use of an H-SIT were determined using a decision-making process. The proper timing for using an H-SIT was also analyzed by using the Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety (MARS) 1.3 code (Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon, South Korea). The operation strategy analysis indicates that a H-SIT can mitigate five types of failure: (1) failure of the safety injection pump, (2) failure of the passive auxiliary feedwater system, (3) failure of the depressurization system, (4) failure of the shutdown cooling pump (SCP), and (5) failure of the recirculation system. The results of the MARS code demonstrate that the time allowed for recovery can be extended when using an H-SIT, compared with the same situation in which an H-SIT is not used. Based on the results, the use of an H-SIT is recommended, especially after the pilot-operated safety relief valve (POSRV) is opened.
An experimental study on transient critical heat flux (CHF) under flow coastdown has been performed for the water flow in a non-uniformly heated vertical annulus under low flow and a wide range of pressure conditions. The objectives of this study are to systematically investigate the effect of the flow transient on the CHF and to compare the transient CHF with steady-state CHF The transient CHF experiments have been performed for three kinds of flow transient modes based on the coastdown data of a nuclear power plant reactor coolant pump. At the same inlet subcooling, system pressure and heat flux, the effect of the initial mass flux on the critical mass flux can be negligible. However, the effect of the initial mass flux on the time-to- CHF becomes large as the heat flux decreases. The critical mass flux has the largest value for slow flow reduction rate. There is a pressure effect on the ratio of the transient CHF data to steady-state CHF data. Except under low system pressure conditions, the flow transient CHF was revealed to be conservative compared with the steady-state CHF data. Bowling CHF correlation and thermal hydraulic system code MARS show promising results for the prediction of CHF occurrence .
A phenomena identification and ranking table(PIRT) was developed for a main steam line break (MSLB) event for the Advanced Power Reactor-1400 (APR-1400). The selectee event was a double-ended steam line break at full power, with the reactor coolant pump running. The developmental panel selected the fuel performance as the primary safety criterion during the ranking process. The plant design data, the results of the APR-1400 safety analysis, and the results of an additional best-estimate analysis by the MARS computer code were used in the development of the PIRT. The period of the transient was composed of three phases: pre-trip, rapid cool-down, and safety injection. Based on the relative importance to the primary evaluation criterion, the ranking of each system, component, and phenomenon/process was performed for each time phase. Finally, the knowledge-level for each important process for certain components was ranked in terms of existing knowledge. The PIRT can be used as a guide for planning cost-effective experimental programs and for code development efforts, especially for the quantification of those processes and/or phenomena that are highly important, but not well understood.
The wall film-wise condensation plays an important role in the heat transfer processes of heat exchangers, refrigerators, and air conditioner. In the field of nuclear engineering, steam condensation is often utilized in safety systems to remove the core decay heat under both transient and accident conditions. In particular, passive containment cooling system (PCCS), are designed to ensure containment safety under severe accident conditions. A computational fluid dynamics (CFD) scale analysis has been conducted to calculate the heat transfer rate of the PCCS. However, despite the increase in computing power, there are challenges in the long-term transient simulation of containment using CFD scale codes. In this study, a heat structure coupling between the CFD and system analysis codes was performed to efficiently analyze PCCS. In addition, the component unstructured program for interfacial dynamics (CUPID) was improved to analyze the condensation behavior of ternary gas mixtures. Thereafter, the condensation heat transfer on the primary side was calculated using the improved CUPID and CFD code, whereas that on the secondary side was simulated using MARS. Both the coupled codes were validated against the CONAN facility database. Finally, conjugate heat transfer simulations with wall condensation in the presence of non-condensable gases were appropriately performed.
In the thermal-hydraulic system codes, such as MARS and RELAP5/MOD3, the Savannah River Laboratory (SRL) model has been adopted as a subcooled boiling model. It, however, has been shown that the SRL model cannot take into account appropriately the effects of inlet liquid velocity and hydraulic diameter on axial void fraction development. To overcome the problems, Ha et al. (2018) proposed a modified SRL model, which is applicable to low-pressure and low-Pe conditions (P < 9.83 bar and $Pe{\leq}70,000$) only. In this work, the authors extended the modified SRL model by proposing a new net vapor generation (NVG) model and a wall evaporation model so that the new subcooled boiling model can cover a wide range of thermal-hydraulic conditions with pressures ranging from 1.1 to 69 bar, heat fluxes of $97-1186kW/m^2$, Pe of 3600 to 329,000, and hydraulic diameters of 5-25.5 mm. The new model was implemented in the MARS code and has been assessed using various subcooled boiling experimental data. The results of the new model showed better agreements with measured void fraction data, especially at low-pressure conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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