Experimental and Numerical Studies on Spray Cooling of Downward-Facing Heater Surfaces

QC 2025-05-23

Abstract

Under svåra haverier av lättvattenreaktorer (LWR) leder till omlokaliseringen av smält kärnbränsle (corium) till reaktortankens nedre plenum till betydande termisk och mekanisk belastning på tanken. För att minska risken för reaktortankhaveri på grund av termisk degradering i konventionella konstruktioner av avancerade tryckvattenreaktorer (PWR) för kvarhållning i reaktortryckkärlet (IVMR) genom översvämning av utrymmet under reaktortanken. Kylkapaciteten begränsas av det kritiska värmeflödet (CHF) av den naturliga cirkulationskokningen. För att öka säkerhetsmarginalerna utöver konventionella metoder föreslår denna doktorsavhandling införandet av ett effektivt sprutkylningssystem som en alternativ metod för kylning av reaktortankens nedre plenum. Genomförandet av sprutbaserad IVMR konceptualiseras genom en undersökning av sprutkylningsmekanismer med varierande lutningar.

Det primära syftet med denna doktorsavhandling är att genomföra experimentella undersökningar av prestandan hos ett sprutkylningssystem och dess  faktorer som påverkar IVMR-strategier. Numeriska modeller med hög precision har utvecklats för att modellera sprutkylning med flera munstycken på en nedåtvänd yta har utvecklats. Studien fokuserar på följande huvudpunkter:

I den experimentella delen undersöktes värmetransportförmpågan hos en 2×2-munstyckegitter (fyra fullkoniska tryckvirvelsprutmunstycken) som påverkade en stor värmeyta riktat nedåt. Effekterna av sex lutningarna (mellan 15 deg–90 deg), avstånd mellan munstycke och yta samt flödeshastighet analyserades för första gången inom IVR-ERVC-applikationer. Testerna utfördes på SA302B med en tjocklek på 150 μm och en yta på 120 mm ´ 80 mm, uppvärmd med Joule-effekten med högström och lågspännings likström. Resultaten visade en maximal kylkapacitet på cirka 2,50 MW/m², med tydlig påverkan av flödeshastighet med optimal prestanda vid medelflöden, medan lutningen hade försumbar effekt.·        En kopplad Euler-Lagrange-metodik implementerades i OpenFOAM för att simulera sprutkylningsprocessen. Modellerna validerades mot teoretiska fall med analytiska lösningar, vilket bekräftade noggrannheten i att uppskatta vätskefilmdynamik vid både sprutpåverkan och lutande ytor innan experimenten simulerades. Den simulerade filmmorfologin hade god överensstämmelse med  experimentella observationer under adiabatiska förhållanden.

·        Modellerna utökades med värmetransport, filmskokning och konjugerad värmetransport i fasta material. Simuleringar av fullständig (6-munstycken) och partiell (4-munstycken) täckning av ytan visade stark korrelation med datan från experimenten över olika lutningar, vilket validerade förmågan att hantera komplexflerfasvärmetransport av sprutkylning.

Denna studie främjar förståelsen av sprutkylningsmekanismer för IVMR-applikationer genom att tillhandahålla empiriska och beräkningsmässiga bevis på flersprutssystemens lämplighet för att hantera extrema termiska belastningar. De validerade modellerna erbjuder ett robust verktyg för framtida säkerhetsanalyser av kärnreaktorer.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363829