Under nuclear reactor severe accidents, the resuspension of radioactive aerosol may occur in the containment due to the disturbing airflow generated by hydrogen combustion, hydrogen explosion and containment depressurization resulting in the increase of radioactive source term in the containment. In this paper, for containment conditions, by considering the contact between particle and rough deposition surface, the distribution of the distance between two contact points of particle and deposition surface, rolling and lifting separation mechanism, resuspension model based on random contact with rough surface (RRCR) is established. Subsequently, the detailed torque and force analysis is carried out, which indicates that particles are more easily resuspended by rolling under low disturbing airflow velocity. The simulation result is compared with the experimental result and the prediction of different simulation methods, the RRCR model shows equivalent and better predictive ability, which can be applicable for simulation of aerosol resuspension in containment during severe accident.
Tae Hoon Lee;Yeon-Gun Lee;Kukhee Lim;Yun-Jae Kim;So-Hyun Park;Eung Soo Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.10
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pp.4018-4030
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2024
The in-vessel retention through external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) strategy is a key management strategy for early termination of a nuclear severe accident that can threaten the integrity of the reactor vessel. To simulate the physical phenomena of the molten corium, the smoothed particle hydrodynamic (SPH) method is utilized in this study. The SPH method is a Lagrangian computational fluid dynamic (CFD) method that can simulate multi-fluid stratification, turbulence, natural circulation, radiative heat transfer, thermal ablation, and crust formation. To address the external vessel cooling, it is coupled with a conventional 1-D nuclear system analysis method. The 1-D system analysis code can calculate the two-phase natural circulation of cooling water and the convective heat transfer on the external reactor vessel wall. These two simulation codes exchange the temperature and heat flux of the reactor vessel outer wall. This study numerically simulated the IVR-ERVC strategy for a Korean high-power reactor and compared it with the traditional lumped parameter method (LPM). Unlike LPM, this study provides localized detailed data about the thermal hydraulic behavior of molten corium and visualization of phenomena in the IVR-ERVC strategy. This enhances our understanding of the phenomena in IVR-ERVC strategy and introduces new perspectives.
Severe accident scenarios in nuclear reactors, such as nuclear meltdown, reveal that an extremely hot molten core may fall into the nuclear reactor cavity and seriously affect the safety of the nuclear containment vessel due to the chain reaction caused by the reaction between the molten core and concrete. This paper reports on research focused on the type and amount of vapor produced during the reaction between a high-temperature molten core and concrete, as well as on the erosion rate of concrete and the heat transfer characteristics at its vicinity. This study identifies themass fraction and melting temperature as the most influential properties of concrete necessary for a safety analysis conducted in relation to the thermal interaction between the molten core and the basemat concrete. The types of concrete that are actually used in nuclear reactor cavities were investigated. The $H_2O$ content in concrete required for the computation of the relative amount of gases generated by the chemical reaction of the vapor, the quantity of $CO_2$ necessary for computing the cooling speed of the molten core, and the melting temperature of concrete are evaluated experimentally for the molten core-concrete interaction analysis.
Bang, In-Cheol;Heo, Gyun-Young;Jeong, Yong-Hoon;Heo, Sun
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.9
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pp.1157-1170
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2009
A variety of Generation III/III+ reactor designs featuring enhanced safety and improved economics are being proposed by nuclear power industries around the world to solve the future energy supply shortfall. Nanofluid coolants showing an improved thermal performance are being considered as a new key technology to secure nuclear safety and economics. However, it should be noted that there is a lack of comprehensible design works to apply nanofluids to Generation III+ reactor designs. In this work, the review of accident scenarios that consider expected nanofluid mechanisms is carried out to seek detailed application spots. The Axiomatic Design (AD) theory is then applied to systemize the design of nanofluid-engineered nuclear safety systems such as Emergency Core Cooling System (ECCS) and External Reactor Vessel Cooling System (ERVCS). The various couplings between Gen-III/III+ nuclear safety features and nanofluids are investigated and they try to be reduced from the perspective of the AD in terms of prevention/mitigation of severe accidents. This study contributes to the establishment of a standard communication protocol in the design of nanofluid-engineered nuclear safety systems.
When a cold HPSI (High Pressure Safety Injection) fluid associated with a design basis accident, such as LOCA (Loss of Coolant Accident), enters the cold legs of a stagnated primary coolant loop, thermal stratification phenomena may arise due to incomplete mixing. If the stratified flow enters a reactor pressure vessel downcomer, severe thermal stresses are created in a radiation embrittled vessel wall by local overcooling. Previous thermal-mixing analyses have assumed that the thermal stratification phenomena generated in stagnated loop of a partially stagnated collant loop are neutralized in the vessel downcomer by strong flow from unstagnated loop. On the basis of these reasons, this paper presents the thermal-mixing analysis results in order to identify the fact that the cold plume generated in the vessel downcomer due to the thermal stratification phenomena of the stagnated loop is affected by the strong flow of the unstagnated loop.
This paper describes the development process, the innovative techniques used and insights gained from the latest integrated, full scope, multistate Level 2 PSA analysis conducted at the Leibstadt Nuclear Power Plant (KKL), Switzerland. KKL is a modern single-unit General Electric Boiling Water Reactor (BWR/6) with Mark III Containment, and a power output of $3600MW_{th}/1200MW_e$, the highest among the five operating reactors in Switzerland. A Level 2 Probabilistic Safety Assessment (PSA) analyses accident phenomena in nuclear power plants, identifies ways in which radioactive releases from plants can occur and estimates release pathways, magnitude and frequency. This paper attempts to give an overview of the advanced modeling techniques that have been developed and implemented for the recent KKL Level 2 PSA update, with the aim of systematizing the analysis and modeling processes, as well as complying with the relatively prescriptive Swiss requirements for PSA. The analysis provides significant insights into the absolute and relative importances of risk contributors and accident prevention and mitigation measures. Thanks to several newly developed techniques and an integrated approach, the KKL Level 2 PSA report exhibits a high degree of reviewability and maintainability, and transparently highlights the most important risk contributors to Large Early Release Frequency (LERF) with respect to initiating events, components, operator actions or seismic component failure probabilities (fragilities).
E. Hemanth Rao;Prabhat Kumar Shukla;D. Ponraju;B. Venkatraman
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.1
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pp.283-291
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2024
Sodium cooled Fast Reactors (SFR) are built with several engineered safety features and hence a severe accident such as a core melt accident is hypothetical with a probability of <10-6/ry. However, in case of such accidents, the mixture of the molten fuel and structural materials interacts with sodium. This phenomenon is known as Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) and results in fragmentation of the melt due to various instabilities. The fragmented particles settle as a debris bed on the core catcher at the bottom of the reactor vessel, and continue to generate decay heat. Characteristics of the debris particles play a vital role in heat transfer from the bed and need thorough investigation. The size, shape, and physical state of the debris depend on the associated fragmentation mechanism, superheating of the melt, and sodium temperature. Experiments have been conducted by releasing simulated corium, a molten mixture of alumina and iron generated by the aluminothermy process at ~2400 ℃ into liquid sodium, to study the fragmentation phenomena. After the experiment, the fragmented debris was retrieved and the particle size distribution was determined by sieve analysis. The debris was subjected to microscopic investigation for obtaining morphological characteristics. Based on the characteristics of debris, an attempt has been made to assess of fragmentation mechanism of simulated corium in sodium.
Kim, Daejong;Lee, Jisu;Chun, Young Bum;Lee, Hyeon-Geun;Park, Ji Yeon;Kim, Weon-Ju
Composites Research
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v.35
no.3
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pp.161-174
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2022
SiC fiber-reinforced SiC matrix composite is a promising accident-tolerant fuel cladding material to improve the safety of light water nuclear reactors. Compared to the current zirconium alloy fuel cladding as well as metallic accident-tolerant fuel cladding, SiC composite fuel cladding has exceptional accident-tolerance such as excellent structural integrity and extremely low corrosion rate during severe accident of light water nuclear reactors, which reduces reactor core temperature and delays core degradation processes. In this paper, we introduce the concept, technical issues, and properties of SiC composite accident-tolerant fuel cladding during operation and accident scenarios of light water nuclear reactors.
Within the framework of the ASTRID project, core design studies are being conducted by the CEA with support from AREVA and EDF. The pre-conceptual design studies are being conducted in accordance with the GEN IV reactor objectives, particularly in terms of improving safety. This involves limiting the consequences of 1) a hypothetical control rod withdrawal accident (by minimizing the core reactivity loss during the irradiation cycle), and 2) an hypothetical loss-of-flow accident (by reducing the sodium void worth). Two types of cores are being studied for the ASTRID project. The first is based on a 'large pin/small spacing wire' concept derived from the SFR V2b, while the other is based on an innovative CFV design. A distinctive feature of the CFV core is its negative sodium void worth. In 2011, the evaluation of a preliminary version (v1) of this CFV core for ASTRID underlined its potential capacity to improve the prevention of severe accidents. An improved version of the ASTRID CFV core (v2) was proposed in 2012 to comply with all the control rod withdrawal criteria, while increasing safety margins for all unprotected-loss-of-flow (ULOF) transients and improving the general design. This paper describes the CFV v2 design options and reports on the progress of the studies at the end of pre-conceptual design phase 1 concerning: - Core performance, - Intrinsic behavior during unprotected transients, - Simulation of severe accident scenarios, - Qualification requirements. The paper also specifies the open options for the materials, sub-assemblies, absorbers, and core monitoring that will continue to be studied during the conceptual design phase.
Prediction of the behavior of radioactive aerosol particles in a containment is of importance for the assessment of the consequences of nuclear power plant severe accidents because most radioactive air pollutants are emitted as aerosol particles upon severe accident. The performance of engineering safety features (ESFs) is also influenced by the characteristics of the aerosol particles. In this article, the characteristics of aerosol particles in reactor containments reported by previous studies were reviewed. The results of the experiments for postulated accidents in test reactors, for aerosol behavior analysis using artificial test aerosols, and for ESF performance evaluation were summarized. The summary of this article will be of use in designing and performance-evaluating ESFs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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