Interakcija taline s hladilom v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline
Oznaka in naziv projekta
Z2-4437 Interakcija taline s hladilom v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline
Z2-4437 Fuel-coolant interactions in combined stratified and melt jet configurations
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta:
Sodelujoče raziskovalne organizacije:
Sestava projektne skupine:
Vsebinski opis projekta
Vsebinski opis projekta
SLO
Parna eksplozija je možna posledica interakcije taline s hladilom. Do pojava lahko pride med težko nesrečo v jedrski elektrarni, če staljena reaktorska sredica pride v stik s hladilom.
Naša nedavna raziskava je razkrila pomembno negotovost glede ocene moči parnih eksplozij. Pretekle raziskave so bile posvečene bodisi konfiguraciji curka taline, kjer se curek talilne izlije v bazen hladila, ali razslojenim razmeram, kjer se plast taline razprostira pod plastjo hladila. Vendar pa je lahko tudi kombinacija obeh konfiguracij realističen pogoj. Kombinacijo razslojenih razmer in curka talilne bomo proučevali v okviru predlaganega projekta, ki ima sledeča cilja:
1) Prvi cilj predlaganega projekta je združiti modeliranje mešanja taline in hladila v obeh konfiguracijah, kar v veliki meri določa količino taline, ki lahko sodeluje pri parni eksploziji. Najprej bomo analizirali eksperimente s parnimi eksplozijami v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline z namenom izboljšanja razumevanje interakcije taline s hladilom. Računalniški program za interakcije taline s hladilom bo nadgrajen, kar bo omogočilo simulacijo takih interakcij v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline. Pristop k modeliranju bo preverjen na razpoložljivih eksperimentalnih rezultatih s simulacijami tako mešalne faze kot tudi faze parne eksplozije.
2) Drugi cilj je razširiti raziskavo na reaktorske pogoje. Simulacije mešanja in parne eksplozije v reaktorskih pogojih bodo pokazale uporabnost razvitega pristopa k modeliranju in podale oceno pričakovane tlačne obremenitve v reaktorski votlini, kar je zelo pomembno za jedrsko varnost.
ANG
A vapour explosion is a possible threatening consequence of a fuel-coolant interaction. This phenomenon can occur during a severe accident in a nuclear power plant, when the molten reactor core may come in contact with the coolant.
Our recent research raised an important uncertainty regarding vapour explosion assessment. Past research was devoted to either melt jet configuration, where the melt jet penetrates into the deep pool of coolant, or stratified configuration, where the melt is spread below the coolant. However, an intertwined configuration can be a realistic condition. Combined stratified and melt jet configuration will be studied within the proposed project that has following two objectives:
1) First objective of the proposed research is to combine modelling of melt and coolant mixing in both configurations prior to vapour explosion, which largely defines the amount of melt, participating in the vapour explosion. At first, the vapour explosion experiments in combined stratified and melt jet configurations will be analysed to improve the understanding of fuel-coolant interaction phenomena. Secondly, the fuel-coolant interaction computational code will be upgraded, making it possible to simulate the fuel-coolant interaction in combined stratified and melt jet configuration. The modelling approach will be validated on the available experimental results, simulating both, the premixing and the explosion phase.
2) Second objective is to expand the research to the reactor conditions. Simulations of mixing and vapour explosion in reactor conditions will demonstrate the applicability of the developed model and estimate the expected pressure loads, which is of high importance in nuclear safety.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
DP1: Kombiniranje mešanja kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline.
Glavni cilj prvega delovnega paketa je bilo združiti pristopa za mešanja kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline.
1. Pregleda razpoložljive literature in eksperimentov s področja interakcije taline s hladilom (ITH):
Opravljen je bil pregled literature na področju potencialnih interakcij taline s hladilom. Izkazalo se je, da je nekatere pretekle eksperimente mogoče identificirati kot interakcijo taline s hladilom v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline (naprej: kombiniranih razmerah), npr. če se talino vlije v plitev bazen hladila. Običajno poudarek ni bil na kombiniranih razmerah in če je bila parna eksplozija opažena, ni bila podrobno analizirana glede različnih prispevkov. Dva nedavna eksperimenta PULiMS in SES (oba KTH, Švedska) sta bila namenjena predvsem razprostiranju taline pod vodo in ITH v razslojenih razmerah, vendar pa je v obeh primerih bila talina zlita kot curek v plitev bazen vode. V obeh primerih so bile med izlivanjem taline in v času eksplozije dosežene kombinirane razmere.
2. Razvoj pristopa k modeliranju za kombiniranje prispevkov mešanja kapljic taline in hladila iz razslojenih razmer in talilnega curka:
Pretekle raziskave so bile posvečene konfiguraciji curka taline, kjer le-ta prodre v globok bazen hladila, ali razslojenim pogojem, kjer se talina razprostira pod hladilom. Vendar pa je lahko prepletena konfiguracija – kombinirane razmere, realen pogoj, kot je razvidno tudi iz nekaterih eksperimentov. Če se talina zlije v bazen hladila, ki ni dovolj globok, da bi zagotovil popoln razpad curka taline, preostali curek taline doseže dno in se razširi. Na podlagi pregleda razpoložljive literature s področja ITH in eksperimentalnih rezultatov smo popisali mešanje taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline. Ocenjen je bil delni razpada curka taline glede na različne modele in je odvisen od geometrije in lastnosti materiala. Rezultat je delež razpadlega curka taline in količina curka, ki doseže dno in se razprostre. Iz razprostrte taline pa nato nastane mešalna plast.
3. Implementacija razvitega pristopa k modeliranju v program za ITH:
Razviti pristop k modeliranju je vgrajen v našo delovno verzijo programa za računsko dinamiko tekočin. Spremembe v programu se nanašajo na modul za mešalno fazo. V skladu z razvitim pristopom smo združili prispevka fragmentacije curka, ki je že v osnovni verziji programa, in fragmentacije plasti taline v razslojenih razmerah. Z implementacijo našega modela v delovno verzijo programa je program glede na naše poznavanje prvi, ki lahko simulira mešalno fazo ITH v kombiniranih razmerah. S tem je mogoče natančneje simulirati zapletene pojave medsebojnega delovanja taline in hladila, mešanja taline in hladila ter potencialne parne eksplozije.
4. Verifikacija in validacija implementiranega pristopa s simulacijami integralnih eksperimentov:
Razpad curka in parne eksplozije v razmerah curka taline v bazenu vode je verificiran in validiran že v osnovni verziji programa ter tudi preko večih raziskovalnih projektov. Nastanek mešalne plasti in parne eksplozije v razslojenih razmerah pa so bile precej manj obravnavane. Poleg verifikacije in validacije delovne verzije programa za ITH v razslojenih razmerah smo opravili tudi parametrične in občutljivostne analize. Nato smo opravili verifikacijo in validacijo implementiranega pristopa za modeliranje kombiniranih razmer s simulacijami integralnih eksperimentov. Pristop k modeliranju in nadgrajena delovna verzija programa sta bila preverjena na integralnem eksperimentu PULiMS E6.
DP2: Simulacije ITH v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah.
Glavni cilj drugega delovnega paketa je uporabiti razvit pristop k modeliranju in simulirati mešanje kapljic taline in hladila v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah.
1. Simulacije ITH v kombinaciji razslojenih razmer in curka taline v reaktorskih razmerah:
Parcialne analize ITH v razslojenih razmerah v reaktorski geometriji so pokazale tveganje za močne parne eksplozije. Rezultati z lokalnim tlakom več kot 60 MPa in tlačnim impulzom preko 50 kPa∙s so primerljivi parnim eksplozijam v klasični geometriji curka taline. V primerjavi z eksperimenti na srednjih velikostnih skalah PULiMS in SES so bile sile in impulzi v simulacijah v reaktorski geometriji več kot 100-krat večje.
Simulacije kombiniranih razmer so pokazale dobro ujemanje s teoretično napovedjo glede razpada curka v odvisnosti od dimenzije curka taline in globine bazena. Simulacije so nam dale tudi podrobnejši vpogled v nastalo mešanico curka taline, kapljic taline, vode in pare, od česar je močno odvisna potencialna parne eksplozija.
2. Ocena tlačnih obremenitev na okolico:
Raziskovalno delo na podsklopu je predvideno za zadnji del projekta.