A two-phase natural circulation test using SMART integral test loop (SMART-ITL) was conducted to explore thermo-hydraulic phenomena of two-phase natural circulation in the SMART reactor. Specifically, the test examined the natural circulation in the primary loop under a stepwise coolant inventory loss while keeping the core power constant at 5% of the scaled full power. Based on the test results, three flow regimes were observed: single-phase natural circulation (SPNC), two-phase natural circulation (TPNC), and boiler-condenser natural circulation (BCNC). The flow rate remained steady in the SPNC, slightly increased in the TPNC, and dropped abruptly and maintained in the BCNC. Using a natural circulation flow map, the natural circulation characteristic in the SMART-ITL was compared with those in pressurized water reactor simulators. In the SMART-ITL, a BCNC regime appeared instead of siphon condensation and reflux condensation regimes because of the use of once-through steam generators.
The natural circulation phenomena occurring in fully integrated nuclear reactors are associated with a unique formation mechanism. The phenomenon results from a structural feature of these reactors involving upward flow from the core, located in the central-bottom region of a single vessel, and downward flow to the steam generator in the annulus region. In this study, to understand the natural circulation in a single vessel involving a multi-layered flow path, single-phase and two-phase natural circulation tests were performed using the SMART-ITL facility, and validation analysis of the TASS/SMR-S code was performed by comparing the corresponding test results. Three single-phase natural circulation tests were sequentially conducted at 15%, 10%, and 5% of full-scaled core-power without RCP operation, following which a two-phase natural circulation test was successively conducted with an artificial discharge of coolant inventory. The simulation capability of the TASS/SMR-S code with respect to the natural circulation phenomena was validated against the test results, and somewhat conservative but reasonably comparative results in terms of overall thermalhydraulic behavior were shown.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.12
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pp.1763-1773
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1998
In the present experimental study, the flow behavior in a semi-closed two-phase natural circulation loop was examined. Water was used as the working fluid. Heat flux, heater-inlet subcooling, and flow restrictions at the heater-inlet and at the expansion-tank-line were taken as the controlling parameters Six circulation modes were identified by changing heat flux and inlet subcooling conditions ; single-phase continuous circulation, periodic circulation (A), two-phase continuous circulation, and periodic circulations (B), (C), and (D). Among these, the single-phase and two-phase continuous-circulation modes exhibit no significant oscillations and are considered to be stable. Periodic circulation (A) is characterized by the large amplitude two-phase f10w oscillations with the temporal single-phase circulation between them, while periodic circulation (B) featured by the flow oscillations with continuous boiling inside the heater section. Periodic circulation (C) appears to be the manometric oscillation with continuous boiling. Periodic circulation (D) has the longer period than periodic circulation (B) and a substantial amount of liquid flow back and forth through the expansion-tank-line periodically ; this mode is considered the pressure drop oscillation. Parametric study shows that the increases of the inlet- and expansion-tank-line- restrictions and the decrease of inlet subcooling broaden the range of the stable two-phase(continuous circulation) mode.
Jehee Lee;Youngjae Park;Seong-Su Jeon;Ju-Yeop Park;Hyoung Kyu Cho
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.8
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pp.3435-3449
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2024
Considering that system analysis codes are used for the evaluation of the performance of Passive Safety Systems (PSSs), it is important to investigate the capability of the system analysis code to reliably predict the heat transfer and natural circulation flow, which are the main phenomena governing the performance of a PSS. Since MARS-KS has been widely validated for heat transfer models, this study focuses on evaluating its capability to predict the single and two-phase pressure drops and natural circulation flow. The straight pipe simulation results indicate that the pressure drop predictions are reliable within ±5 % error margin for the single-phase flow and the errors of pressure drop up to - 30 % for the two-phase flow. Through single-phase natural circulation flow analysis, it is concluded that the use of the appropriate K-factor modeling based on the flow regimes is important since the natural circulation flow rate in MARS-KS is mainly affected by the form loss factor modeling. With two-phase natural circulation flow analysis, this study emphasizes the behavior of the system could change significantly depending on the two-phase wall friction and pressure loss modeling. With the analysis results, modeling considerations for the PSS performance evaluation with the system analysis codes are proposed.
The present study is to assess the applicability of the best-estimate thermal-hydraulic code, MARS 1.4, for the analysis of thermal-hydraulic behavior in PWRs during natural circulation conditions. The code simulates a natural circulation test, BETHSY test 4. la, which was conducted on the integral test facility of BETHSY. The test represented the cooling states of the primary cooling system under single-phase natural circulation, two-phase natural circulation and the reflux condensation mode with conditions corresponding to the residual power, 2% of the rated core power value and 6.8 MPa at the secondary system. Based on MARS 1.4 calculations, the major thermal-hydraulic behaviors during natural circulation are evaluated and the differences between the experimental data and calculated results are identified. The calculated results show generally good behavior with regard to the experimental results; the region of single-phase natural circulation is 100-92% of the initial mass inventory, two-phase natural circulation is 84-63 %, and the reflux condensation mode occurred below 58 %. U-tubes empty and the core uncovery are obtained at 39 % and 34 % of the initial mass inventory, respectively.
Kim, Jae-Cheol;Ha, Kwang-Soon;Park, Rae-Joon;Hong, Seong-Wan;Kim, Sang-Baik
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2008.03b
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pp.308-311
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2008
As a severe accident mitigation strategy in a nuclear power plant, ERVC(External Reactor Vessel Cooling) has been proposed. Under ERVC conditions, where a molten corium is relocated in a reactor vessel lower head, a natural circulation two-phase flow is driven in the annular gap between the reactor vessel wall and its insulation. This flow should be sufficient to remove the decay heat of the molten corium and maintain the integrity of the reactor vessel. Preliminary experimental study was performed to estimate the natural circulation two-phase flow. The experimental facility which is one dimensional, the half height, and the 1/238 channel area of APR1400, was prepared and the experiments were carried out to estimate the natural circulation two-phase flow with varying the parameters of the coolant inlet area, the heat rate, and the coolant inlet subcooling. In results, the periodic circulation flow was observed and the characteristics were varied from the experimental parameters. The frequency of the natural circulation flow rate increased as the wall heat flux increased.
The objective of this work is to investigate the effects of diminished primary coolant inventory and the presence of noncondensible gas during single- and two-phase natural circulation in a PWR loop model. The test model was composed of two loops with a U-tube heat exchanger in each loop. Through a series of tests, it has been confirmed that the two-phase natural circulation flow rates were greatly dependent on primary coolant inventory as previous investigators observed. The primary coolant inventory limit to maintain two-phase natural circulation was found to be the amount of the coolant necessary to keep the waterline of the coolant nozzle hole center in this model. The presence of noncondensible gas impede the single-phase natural circulation, but it did not affect the two-phase natural circulation significantly.
Ha, Kwang-Soon;Park, Rae-Joon;Cho, Young-Rho;Kim, Sang-Baik;Kim, Hee-Dong
Proceedings of the KSME Conference
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2004.04a
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pp.1927-1932
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2004
A 1/21.6 scaled non-heating experimental facility was prepared utilizing the results of a scaling analysis to simulate the APR1400 reactor and insulation system. The behaviors of the air bubble-induced two-phase natural circulation flow in the insulation gap were observed, and the liquid mass flow rates driven by natural circulation loop were measured by varying the injected air flow rate and distribution. As the injected air flow rates increased, the natural circulation flow rates also increased. Both the longitudinal and the latitudinal distributions of the injected air affected the natural circulation flow rates, especially, the longitudinal effect is more larger.
Without electirc power to cool down the hot reactor core, passive systems utilizing natural circulation are becoming a big specialty of recent neculear systems after the severe accident in Fukusima. When we consider the natural circulation in a pool, thermal mixing phenomena may start from single phase circulation and can continue to two phase condition. Since the CUPID code, which has been developed for two-phase flow analysis, can deal with the phase transition phenomena, the CUPID would be pertinent to natural convection problems in single- and two-phase conditions. Thus, the CUPID should be validated against single- and two-phase natural circulation phenomena. For the first step of the validation process, this study is focused on the validation of single-phase natural circulation. Moreover, the CUPID code solves the fluid properties by the relationship to pressure and temperature from the steam table considering non-condensable gas effects, so that the effects from variable properties are included. Simple square thermal cavity problems are tested for laminar and turbulent conditions against numerical and experimental data. Throughout the investigation, it is found that the variable properties can affect the flow field in laminar condition, but the effect becomes weak in turbulence condition, and the CUPID code implementing steam table is capable of analyzing single phase natural circualtion phenomena.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.5
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pp.1313-1320
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1993
Flow patterns inside the riser section and the effects of the heater inlet-and exit-restrictions, liquid charging level and the heater inlet subcooling on the flow characteristics inside an open two-phase natural circulation loop were studied experimentally. Three basic circulation modes were observed ; periodic circulation (A)(flow oscillations with incubation(no boiling) period), continuous circulations(stable operation mode with no flow oscillations), and periodic circulation (B) (flow oscillations with continuous boiling). The circulation rate increases and then decreases with the increase of the heating rate and the maximum circulation rate appears with the continuous circulation mode. The decrease of the inlet-restriction or the increase of the exitrestriction destabilizes the system. When the liquid charging level or the inlet subcooling decreases, the continuous circulation mode starts at the lower heating rate and the system is stabilized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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