Passive containment cooling systems (PCCSs) have been actively studied to improve the inherent safety of nuclear power plants. Hered, we present two concepts, open-loop PCCS (OL-PCCS) and closed-loop PCCS (CL-PCCS), applicable to the PWR with a concrete-type containment. We analyzed the heat-removal performance and flow instability of these PCCS concepts using the GOTHIC code. In both cases, PCCS performance improved when a passive containment cooling heat exchanger (PCCX) was installed in the lower part of the containment building. The OL-PCCS was found to be superior in terms of heat-removal performance. However, in terms of flow instability, the OL-PCCS was more vulnerable than the CL-PCCS. In particular, the possibility of flow instability was higher when the PCCX was installed in the upper part of the containment. Therefore, the installation location of the OL-PCCS should be restricted to minimize flow instability. Conversely, a CL-PCCS can be installed without any positional restriction by adjusting the initial system pressure within the loop, which eliminates flow instability. These results could be used as base data for the thermo-hydraulic evaluation of PCCS in PWR with a large dry concrete-type containment.
Byoung-Uhn Bae;Seok Cho;Jae Bong Lee;Yu-Sun Park;Jongrok Kim;Kyoung-Ho Kang
Nuclear Engineering and Technology
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제55권7호
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pp.2438-2446
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2023
To cool down a nuclear reactor core and prevent the fuel damage without a pump-driven active component during any anticipated accident, the passive emergency core cooling system (PECCS) was designed and adopted in an advanced light water reactor, i-POWER. In this study, for a validation of the cooling capability of PECCS, thermal-hydraulic integral effect tests were performed with the ATLAS facility by simulating intermediate and small break loss-of-coolant accidents (IBLOCA and SBLOCA). The test result showed that PECCS could effectively depressurize the reactor coolant system by supplying the safety injection water from the safety injection tanks (SITs). The result pointed out that the safety injection from IRWST should have been activated earlier to inhibit the excessive core heat-up. The sequence of the PECCS injection and the major thermal hydraulic transient during the SBLOCA transient was similar to the result of the IBLOCA test with the equivalent PECCS condition. The test data can be used to evaluate the capability of thermal hydraulic safety analysis codes in predicting IBLOCA and SBLOCA transients under an operation of passive safety system.
Kim, Do Yun;NO, Hee Cheon;Yoon, Ho Joon;Lim, Sang Gyu
Nuclear Engineering and Technology
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제51권1호
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pp.60-72
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2019
The air-cooled passive decay heat removal system (APDHR) was proposed to provide the ultimate heat sink for non-LOCA accidents. The APDHR is a modified one of Passive Auxiliary Feed-water system (PAFS) installed in APR+. The PAFS has a heat exchanger in the Passive Condensate Cooling Tank (PCCT) and can remove decay heat for 8 h. After that, the heat transfer rate through the PAFS drastically decreases because the heat transfer condition changes from water to air. The APDHR with a vertical heat exchanger in PCCT will be able to remove the decay heat by air if it has sufficient natural convection in PCCT. We conducted the thermal-hydraulic simulation by the MARS code to investigate the behavior of the APR + selected as a reference plant for the simulation. The simulation contains two phases based on water depletion: the early phase and the late phase. In the early phase, the volume of water in PCCT was determined to avoid the water depletion in three days after shutdown. In the late phase, when the number of the HXs is greater than 4089 per PCCT, the MARS simulation confirmed the long-term cooling by air is possible under extended Station Blackout (SBO).
The Fukushima accident reveals the vulnerability of existing active nuclear power plant (NPP) design against prolonged loss of external electricity events. The passive safety system is considered an attractive alternative to cope with this kind of disaster. Also, the passive safety system enhances both the safety and the economics of NPPs. The adoption of a passive safety system reduces the number of active components and can minimize the construction cost of NPPs. In this paper, reflecting on the experience during the development of the APR+ design in Korea, we propose the concept of an innovative Power Reactor (iPower), which is a kind of passive NPP, to enhance safety in a revolutionary manner. The ultimate goal of iPower is to confirm the feasibility of practically eliminating radioactive material release to the environment in all accident conditions. The representative safety grade passive system includes a passive emergency core cooling system, a passive containment cooling system, and a passive auxiliary feedwater system. Preliminary analysis results show that these concepts are feasible with respect to preventing and/or mitigating the consequences of design base accidents and severe accidents.
The flow of cooling water in a passive containment cooling system (PCCS), used to remove heat released in design basis accidents from a concrete containment of light water nuclear power plant, was conducted in order to investigate the thermo-fluid equilibrium among many parallel tubes of PCCS. Numerical simulations of the subcooled boiling flow within a coolant loop of a PCCS, which will be installed in innovative pressurized-water reactor (PWR), were conducted using the commercially available computational fluid dynamics (CFD) software ANSYS-CFX. Shear stress transport (SST) and the RPI model were used for turbulence closure and subcooled flow boiling, respectively. As the first step, the simplified geometry of PCCS with 36 tubes was modeled in order to reduce computational resource. Even and uneven thermal loading conditions were applied at the outer walls of parallel tubes for the simulation of the coolant flow in the PCCS at the initial phase of accident. It was observed that the natural circulation maintained in single-phase for all even and uneven thermal loading cases. For uneven thermal loading cases, coolant velocity in each tube were increased according to the applied heat flux. However, the flows were mixed well in the header and natural circulation of the whole cooling loop was not affected by uneven thermal loading significantly.
Na, Min Wook;Shin, Doyoung;Park, Jae Hyung;Lee, Jeong Ik;Kim, Sung Joong
Nuclear Engineering and Technology
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제52권5호
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pp.964-974
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2020
The small modular reactors (SMRs) of the integrated pressurized water reactor (IPWR) type have been widely developed owing to their enhanced safety features. The SMR-IPWR adopts passive residual heat removal system (PRHRS) to extract residual heat from the core. Because the PRHRS removes the residual heat using the latent heat of the water stored in the emergency cooldown tank, the PRHRS gradually loses its cooling capacity after the stored water is depleted. A quick restoration of the power supply is expected infeasible under station blackout accident condition, so an advanced PRHRS is needed to ensure an extended grace period. In this study, an advanced design is proposed to indirectly incorporate a dry air cooling tower to the PRHRS through an intermediate loop called indefinite PRHRS. The feasibility of the indefinite PRHRS was assessed through a long-term transient simulation using the MARS-KS code. The indefinite PRHRS is expected to remove the residual heat without depleting the stored water. The effect of the environmental temperature on the indefinite PRHRS was confirmed by parametric analysis using comparative simulations with different environmental temperatures.
최근 원자로 시스템에서 응축열교환기를 이용한 피동안전냉각 개념이 활발히 연구되고 있다. 이차피동냉각시스템의 수직형 응축열교환기 설계를 위하여, 열적 크기 산정 프로그램(TSCON)을 구현하고 검증하였다. TSCON 검증을 위해 이차피동냉각시스템 응축열교환기 실험에서 수집된 1,157 개의 순수증기 응축열전달 실험데이터를 현존하는 응축열전달 상관식들을 이용하여 비교 검증하였다. 그 결과 2009년 Shah 에 의해 출판된 응축열전달 상관식이 수집된 실험데이터를 34.8% 오차로 예측하는 것으로 계산되었으며, TSCON 의 응축열전달 상관식으로서 적합한 것으로 나타났다.
The Multi-purpose InfraRed Imaging System (MIRIS) is the main payload of Science and Technology Satellite 3 (STSAT-3), which was launched onboard Dnepr rocket from Russian Yasny Launch Base in November 2013. The MIRIS is an infrared (IR) camera, and the telescope has to be cooled down to below 200K in order to reduce thermal background noise. For the effective cooling and low-power consumption, we applied passive cooling method to the thermal design of the MIRIS. We also conducted thermal analysis and tested for the passive cooling before the launch of STSAT-3. After the launch, we have received State-of-Health (SOH) data from the satellite on orbit, including temperature monitoring results. It is important that the temperature of the telescope was shown to be cooled down to below 200K. In this paper, we present both the temperature data of the MIRIS on orbit and the thermal analysis results in the laboratory. We also compare these results and discuss the verification of the passive cooling.
A study on passive cooling systems for concrete containment of advanced pressurized water reactors has been performed. The proposed passive containment cooling system (PCCS) consist of (1) condenser units located inside containment, (2) a steam condensing pool outside containment at higher elevation, and (3) downcommer/riser piping systems which provide coolant flow paths. During an accident causing high containment pressure and temperature, the steam/air mixture in containment is condensed on the outer surface of condenser tubes transferring the heat to coolant flowing inside tubes. The coolant transfers the heat to the steam condensing pool via natural circulation due to density difference. This PCCS has the following characteristic: (1) applicable to concrete containment system, (2) no limitation in plant capacity expansion, (3) efficient steam condensing mechanism (dropwise or film condensation at the surface of condenser tube), and (4) utilization of a fully passive mechanism. A preliminary conceptual design work has been done based on steady-state assumptions to determine important design parameter including the elevation of components and required heat transfer area of the condenser tube. Assuming a decay power level of 2%, the required heat transfer area for 1,000MWe plant is assessed to be about 2,000 ㎡ (equivalent to 1,600 of 10 m-long, 4-cm-OD tubes) with the relative elevation difference of 38 m between the condenser and steam condensing pool and the riser diameter of 0.62 m.
The Solar Energy R&D Department of KIER under the auspice of the Korean government is pushing hard on the development of the passive solar technology with high priority for the expeditious widespread use of solar energy in Korea, since the past few years of experiences told us that the active solar technology is not yet ready for massive commercialization in Korea. KIER has completed the construction of the Solar Energy Research & Test Center in Seoul, which houses the major facilities for its all solar test programs. The Center was designed as a passive solar building with great emphasis on the energy conserving ideas. The Center is not only the largest passive building in Korea, but also the exhibit center for the effective demonstration of the passive heating and cooling technology to the Korean public. The Center was designed to satisfy the requirements based on the technical and economical criteria set by the KIER. Careful considerations, therefore, were given in depth in the following areas to meet the requirements. 1) Passive Heating Concepts The Center employed the combination of direct and indirect gain system. The shape of the Center is Balcomb House style, and it included a large built-in sunspace in front. A partition, consists of transparent and translucent glazings, separates the sunspace and the living space. Since most activities in the Center occur during the day time, direct utilization of the solar energy by the living spaces was emphasized with the limited energy storage capacity. 2) Passive Cooling Concepts(for Summer) Natural ventilation concept was utilized throughout the building. In the direct gain portion of the system, the front glazing can be openable during the cooling season. Natural convection scheme was also applied to the front sunspace for the Summer cooling. Reflective surfaces and curtains were utilized wherever needed. 3) Auxiliary Heat ing and Cooling System As an auxiliary cooling system, mechanical means(forced convection system) were adopted. Therefore forced air heating system was also used to match the duct work requirements of the auxiliary cool ing system. 4) Effect ive Insulation & Others These included the double glazed windows, the double entry doors, the night glazing insulation, the front glazing-frame insulation as well as the building skin insulation. All locally available construction materials were used, and natural lightings were provided as much as possible. The expected annual energy savings (compared to the non-insulated conventional building)of the Center was estimated to be about 80%, which accounts for both the energy conservation and the solar energy source. The Center is being instumented for the actual performance tests. The experimental results of the simplified tests are discussed in this paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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