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.
An evaluation of containment transient pressure due to the particulate debris/water/concrete interaction under severe accident conditions is presented for a pressurized water reactor with a large dry containment building. A particulate debris/water/concrete model is developed and incorporated into the MARCH computer code. Comparisons with the existing MARCH molten debris/concrete model were performed for the TMLB' and S$_2$D sequences. The results yield a much slower concrete decomposition rate and release less gases into the containment atmosphere. Contrary to the molten debris model, the particulate debris model exhibits a strong interaction with water and causes a higher containment pressure. The effect of gas influx on the debris bed heat transfer was found to be insignificant.
If a reactor vessel is failed to retain a molten corium in a postulated severe accident, the molten corium is released outside the reactor vessel into a reactor cavity. The molten corium would attack the concrete wall and basemat of the reactor cavity, which may lead to inevitable concrete decompositions and possible radiological releases. In the OECD/MCCI project, a series of tests were performed to secure the data for cooling the molten corium spread out at the reactor cavity and for the long-term CCI (Core Concrete Interaction). Also, a MCCI (Molten Core Concrete Interaction) analysis code, CORQUENCH was upgraded at Argonne National Laboratory with embedding the new models developed for the tests. This paper deals with analyses of MCCI at plant scale under the conditions of top flooding using the upgraded CORQUENCH code. The modeling approach is briefly summarized first, followed by presentation of a validation calculation that illustrates the predicative capability of the modeling tool. With this background in place, the model is then used to carry out a parametric set of scoping calculations that define approximate coolability envelopes for the LCS (Limestone Common Sand) concrete that has been evaluated in the OECD/MCCI project.
The downward discharge of the molten fuel to the lower structure of the fuel assembly could increase of the pressure drop and degrade of coolability of the assembly. To analyze the phenomena, experiments for the generation of the debris bed were conducted as LOF-DT series. Based on the debris bed in the LOF-DT, pressure drop experiment was conducted with intact and blocked component. Parametric study on the pressure drop was conducted by CFD. The LOF-DT experiments were conducted for the position and porosity of the debris bed. 85% of the debris were sedimented in the lower reflector, and 15% were in the nose piece, approximately. Porosity of the debris bed were about 0.7 and 0.85 in the lower reflector and nose piece, respectively. Pressure drop increased significantly with debris bed, especially in the lower reflector. More than 120 time of the pressure drop increased in the lower reflector, while only 10% increased in the nose piece. According to the parametric study, mass of the debris was the most important for pressure drop. The lower discharge phenomena could have a significant effect to the total pressure drop of the fuel assembly, approximately 10.8 times for the base case.
If a molten core is released from a reactor vessel into a reactor cavity during a severe accident, an important safety issue of coolability of the molten core from top-flooding and concrete ablation due to a molten core concrete interaction (MCCI) is still unresolved. The released molten core debris would attack the concrete wall and basemat of the reactor cavity, which will lead to inevitable concrete decompositions and possible radiological releases. In a OECD/MCCI project scheduled for 4 years from 2002. 1 to 2005. 12, a series of tests were performed to secure the data for cooling the molten core spread out at the reactor cavity and for the 2-D long-term core concrete interaction (CCI). The tests included not only separate effect tests such as a melt eruption, water ingression, and crust failure tests with a prototypic material but also 2-D CCI tests with a prototypic material under dry and flooded cavity conditions. The paper deals with the transient simulations on the CCI-2 test by using a severe accident analysis code, CORQUENCH, which was developed at Argonne National Laboratory (ANL). Similar simulations had been already per for me d by using MELCOR 1.8.5 code. Unlike the MELCOR 1.8.5, the CORQUENCH includes a melt eruption mode I and a newly developed water ingression model based on the water ingression tests under the OECD/MCCI project. In order to adjust the geometrical differences between the CCI-2 test (rectangular geometry) and the simulations (cylindrical geometry), the same scaling methodology as used in the MELCOR simulation was applied. For the direct comparison of the simulation results, the same inputs for the MELCOR simulation were used. The simulation results were compared with the previous results by using MELCOR 1.8.5.
During the core disruptive accident (CDA) of sodium-cooled fast reactor (SFR), the molten fuel and steel are solidified into debris particles, which form debris bed in the lower plenum. When the boiling occurs inside debris bed, the flow of coolant and vapor makes the debris particles relocated and the bed flattened, which called debris bed relocation. Because the thickness of debris bed has great influence on the cooling ability of fuel debris in low plenum, it's very necessary to evaluate the transient changes of the shape and thickness in relocation behavior for CDA simulation analysis. To simulate relocation behavior, a large number of debris bed relocation experiments were carried out by improved bottom gas-injection experimental method in this paper. The effects of different experimental factors on the relocation process were studied from the experiments. The experimental data were also used to further evaluate a semi-empirical onset model for predicting relocation.
Parametric studies were performed to assess the sensitivity in determining the maximum in-vessel heat removal capability from the core material relocated into the lower plenum of the reactor pressure vessel (RPV)during a core melt accident. A fraction of the sensible heat can be removed during the molten jet delivery from the core to the lower plenum, while the remaining sensible heat and the decay heat can be transported by rather complex mechanisms of the counter-current flow limitation (CCFL) and the critical heat flux (CHF)through the irregular, hemispherical gap that may be formed between the freezing oxidic debris and the overheated metallic RPV wall. It is shown that under the pressurized condition of 10MPa with the sensible heat loss being 50% for the reactors considered in this study, i.e. TMI-2, KORI-2 like, YGN-3&4 like and KNGR like reactors, the heat removal through the gap cooling mechanism was capable of ensuring the RPV integrity as much as 30% to 40% of the total core mass was relocated to the lower plenum. The sensitivity analysis indicated that the cooling rate of debris coupled with the sensible heat loss was a significant factor The newly proposed heat removal capability map (HRCM) clearly displays the critical factors in estimating the maximum heat removal from the debris in the lower plenum. This map can be used as a first-principle engineering tool to assess the RPV thermal integrity during a core melt accident. The predictive model also provided ith a reasonable explanation for the non-failure of the test vessel in the LAVA experiments performed at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), which apparently indicated a cooling effect of water ingression through the debris-to-vessel gap and the intra-debris pores and crevices.
Cheng, Songbai;Yamano, Hidemasa;Suzuki, TYohru;Tobita, Yoshiharu;Nakamura, Yuya;Zhang, Bin;Matsumoto, Tatsuya;Morita, Koji
Nuclear Engineering and Technology
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v.45
no.3
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pp.323-334
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2013
During a hypothetical core-disruptive accident (CDA) in a sodium-cooled fast reactor (SFR), degraded core materials can form roughly conically-shaped debris beds over the core-support structure and/or in the lower inlet plenum of the reactor vessel from rapid quenching and fragmentation of the core material pool. However, coolant boiling may ultimately lead to leveling of the debris bed, which is crucial to the relocation of the molten core and heat-removal capability of the debris bed. To clarify the mechanisms underlying this self-leveling behavior, a large number of experiments were performed within a variety of conditions in recent years, under the constructive collaboration between the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) and Kyushu University (Japan). The present contribution synthesizes and gives detailed comparative analyses of those experiments. Effects of various experimental parameters that may have potential influence on the leveling process, such as boiling mode, particle size, particle density, particle shape, bubbling rate, water depth and column geometry, were investigated, thus giving a large palette of favorable data for the better understanding of CDAs, and improved verifications of computer models developed in advanced fast reactor safety analysis codes.
In a postulated severe core damage accident in a PHWR, multiple failures of core cooling systems may lead to the collapse of pressure tubes and calandria tubes, which may ultimately relocate inside the calandria vessel forming a terminal debris bed. The debris bed, which may reach high temperatures due to the decay heat, is cooled by the moderator in the calandria. With time, the moderator is evaporated and after some time, a hot dry debris bed is formed. The debris bed transfers heat to the calandria vault water which acts as the ultimate heat sink. However, the questions remain: how long would the vault water be an ultimate heat sink, and what would be the failure mode of the calandria vessel if the heat sink capability of the reactor vault water is lost? In the present study, a numerical analysis is performed to evaluate the thermal loads and the stresses in the calandria vessel following the above accident scenario. The heat transfer from the molten corium pool to the surrounding is assumed to be by a combination of radiation, conduction, and convection from the calandria vessel wall to the vault water. From the temperature distribution in the vessel wall, the transient thermal loads have been evaluated. The strain rate and the vessel failure have been evaluated for the above scenario.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.3
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pp.191-198
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2014
In this paper, structural integrity evaluation of reactor pressure vessel bottom head without penetration nozzles in core melting accident has been performed. Considering the analysis results of thermal load, weight of molten core debris and internal pressure, thermal load is the most significant factor in reactor vessel bottom head. The failure probability was evaluated according to the established failure criteria and the evaluation showed that the equivalent plastic strain results are lower than critical strain failure criteria. Thermal-structural coupled analyses show that the existence of elastic zone with a lower stress than yield strength is in the middle of bottom head thickness. As a result of analysis, the elastic zone became narrow and moved to the internal wall as the internal pressure increases, and it is evaluated that the structural integrity of reactor vessel is maintained under core melting accident.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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