CFD Study of Molten Pool Convection in a Reactor Vessel during a Severe Accident

QC 2023-09-29

Abstract

Vid svåra kärnkraftsreaktorhaverier kan härdar och interna strukturer smälta och bilda en skiktad pool av härdsmälta i reaktortankens (RPV) nedre plenum (LH). Denna härdsmälta består vanligtvis av överhettade oxidiska och metalliska vätskeskikt, vilket skapar termomekaniska påfrestningar på reaktortankens väggar. För att bevara integriteten hos reaktortanken används extern kylning med vatten, en teknik som kallas IVR-strategin (In-vessel Retention). En avgörande aspekt av säkerhetsstudier är att förstå och förutsäga hur värmeflödet beter sig inom härdsmältpoolen. Naturlig konvektion är en viktig process som inträffar i poolen, och den delas upp i två skikt: internuppvärmd (IH) naturlig konvektion i oxidskiktet och Rayleigh-Bénard (RB) konvektion i det ytliga metallskiktet.

Studien börjar med att beskriva de matematiska modellerna som används för att studera naturlig konvektion i härdsmältan. Dessa modeller har validerats genom att jämföra deras resultat med tidigare utförda direkt numerisk simulering (DNS), och det finns en god överensstämmelse mellan dem. Dessutom presenteras en skalningsteori som gör det möjligt att uppskatta naturlig konvektion baserat på Rayleigh-talet (Ra) och Prandtl-talet (Pr).

I nästa steg beskrivs de numeriska metoderna som används för att simulera härdsmältan, särskilt DNS-metoden. En DNS-nätstrategi föreslås, som omfattar allt från förhandsuppskattning till efterhandskontroll. En skalbarhetsstudie utförs med hjälp av Nek5000 på fyra olika högpresterande datorkluster, baserat på ett DNS-fall av IH-smältkonvektion i en hemisfärisk geometri med Ra=1,6×1011 och resultaten visar att Nek5000 har en imponerande hastighetsökningsegenskap på varje kluster inom ett specifikt intervall.

Slutligen genomförs tre numeriska studier som fokuserar på turbulent naturlig konvektion i både oxidiska och metalliska skikt av härdsmältan. Dessa simuleringar ger detaljerad information om systemets värmeflödesbeteende, inklusive flödeskonfiguration, temperaturfördelning, värmeflödesprofiler vid kylgränser och turbulenta egenskaper.

1. I denna del av studien utfördes en DNS-undersökning av naturlig konvektion i den IH härdsmältsamlingen i en hemisfärisk domän med ett Rayleigh-tal på 1,6×1011 och ett Prandtl-tal på 0,5. Resultaten visade att flödet var turbulent och delades in i tre distinkta regioner, vilket överensstämde med observationer från BALI-experimenten. Detta innebär att de utförda DNS-simuleringarna framgångsrikt reproducerade det observerade beteendet i experimentet. Studien presenterar detaljerad information om turbulensen i systemet, inklusive turbulent kinetisk energi (TKE), turbulent värmeflöde (THF) och temperaturavvikelse. Dessutom tillhandahöll studien omfattande 3D-värmeflödesfördelningar längs avgränsningarna. Det observerades fluktuationer längs den övre avgränsningen, och dessa fluktuationer tillskrevs närvaron av närliggande turbulenta virvlar och en icke-linjär ökning av värmeflödet längs den böjda avgränsningen från botten till toppen

2. I en numerisk studie undersöks effekten av Prandtl-talet på den naturliga konvektionen i den IH härdsmältsamlingen i en halvcirkelformad 3D-testsektion. Studien omfattade olika Prandtl-tal (3,11, 1,0 och 0,5) vid en konstant Rayleigh-talet (Ra) på 6,54×1011. Prandtl-talet påverkade konvektionen och turbulensen i härdsmältan betydligt. Lägre Prandtl-tal ledde till mer intensiva turbulenta strömningar och en tjockare turbulent blandningszon i den övre delen av härdsmältan. Det nedåtgående flödet i härdsmältan sträckte sig längre ner på botten vid lägre Prandtl-tal. Detta resulterade i en kraftigare cirkulation längs botten av härdsmältan. Dessutom Vid lägre Prandtl-tal observerades fler strukturer med s.k. ’thermal-stripping’, vilket innebär att varma och kalla fluidlager kan blanda sig mer intensivt och skapa mindre stabila skiktade lager i härdsmältan. Jämförelsen av värmeflöden på de övre och böjda väggarna visade att fluktueringsfrekvensen var högre med lägre Prandtl-tal för värmeflöden till den övre gränsen. Detta indikerar en ökad turbulens i den övre delen av härdsmältan vid lägre Prandtl-tal. Å andra sidan, de maximala värmeflödena till sidoväggarna var lägre vid lägre Prandtl-tal. Detta kan vara resultatet av den ökade turbulensen i den övre delen av härdsmältan som stör de laterala värmeflödesmönstren. 

3. I den tredje numeriska studien undersöktes den turbulenta naturliga konvektionen i ett 3D-flytandeskikt baserat på BALI-Metal 8U-experimentet. Studien använde olika numeriska metoder, inklusive DNS och tre olika Reynolds-averaged Navier-Stokes-modeller (RANS). Resultaten av dessa simuleringar jämfördes med experimentella data från BALI-Metal 8U-experimentet, och RANS-modellernas prestanda utvärderades med DNS som referens. DNS-simuleringarna återskapade en flödesstruktur med två tydliga regioner, vilket överensstämde med det som observerades i experimentet. k-ω SST-modellen, visade liknande flödesmönster och TKE-profiler jämfört med DNS-resultaten. Alla simuleringar, inklusive, överuppskattade temperaturen jämfört med de experimentella data. DNS-resultaten visade en bättre överensstämmelse med experimentella data när det gällde värmeflödesfördelning och energibalans. Särskilt registrerade DNS-resultaten det tillfälliga maximala värmeflödet på den laterala kylväggen. Detta beteende är viktigt att korrekt uppskatta fokuseringseffekten.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-337292