Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Empirical closures for particulate debris bed spreading induced by gas-liquid flow
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Physics, Nuclear Power Safety.ORCID iD: 0000-0002-9123-2944
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Physics, Nuclear Power Safety.ORCID iD: 0000-0002-2725-0558
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Physics, Nuclear Power Safety.ORCID iD: 0000-0002-0683-9136
2016 (English)In: Nuclear Engineering and Design, ISSN 0029-5493, E-ISSN 1872-759X, Vol. 297, 19-25 p.Article in journal (Refereed) Published
Resource type
Text
Abstract [en]

Efficient removal of decay heat from the nuclear reactor core debris is paramount for termination of severe accident progression. One of the strategies is based on melt fragmentation, quenching and cooling in a deep pool of water under the reactor vessel. Geometrical configuration of the debris bed is among the important factors which determine possibility of removing the decay heat from the debris bed by natural circulation of the coolant. For instance, a tall mound-shape debris bed can be non-coolable, while the same debris can be coolable if spread uniformly. Decay heat generates a significant amount of thermal energy which goes to production of steam inside the debris bed. Two-phase flow escaping through the top layer of the bed becomes a source of mechanical energy which can move the particulate debris along the slope of the bed. The motion of the debris will lead to flattening of the bed. Such process is often called "self-leveling" phenomenon. Spreading of the debris bed by the self-leveling process can take significant time, depending on the initial debris bed configuration and other parameters. There is a competition between the time scales for reaching (i) a coolable configuration of the bed, and (ii) onset of dryout and re-melting of the debris. In the previous work we have demonstrated that the rate of particulate debris spreading is determined by local gas velocity and local slope angle of the bed. In this work we develop a scaling approach and a closure for prediction of debris spreading rate based on generalization of available experimental data. We demonstrate that introduced scaling criteria are universal for particles of different shapes and size distributions.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2016. Vol. 297, 19-25 p.
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-180926DOI: 10.1016/j.nucengdes.2015.10.016ISI: 000369167700003Scopus ID: 2-s2.0-84950119479OAI: oai:DiVA.org:kth-180926DiVA: diva2:897807
Funder
Swedish Radiation Safety Authority
Note

QC 20160126. QC 20160304

Available from: 2016-01-26 Created: 2016-01-25 Last updated: 2017-03-13Bibliographically approved
In thesis
1. Particulate Debris Spreading and Coolability
Open this publication in new window or tab >>Particulate Debris Spreading and Coolability
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In Nordic design of boiling water reactors, a deep water pool under the reactor vessel is employed for the core melt fragmentation and the long term cooling of decay heated corium debris in case of a severe accident. To assess the effectiveness of such accident management strategy the Risk-Oriented Accident Analysis Methodology has been proposed. The present work contributes to the further development of the methodology and is focused on the issue of ex-vessel debris coolability.

The height and shape of the porous debris bed are among the most important factors that determine if the debris can be cooled by natural circulation of water. The bed geometry is formed in the process of melt release, fragmentation, sedimentation and packing of the debris in the pool. Bed shape is affected by the coolant flow that induces movement of particles in the pool and after settling on top of the bed. The later one is called debris bed self-leveling phenomenon.

In this study, the self-leveling was investigated experimentally and analytically. Experiments were carried out in order to collect data necessary for the development of a numerical model with an empirical closure. The self-leveling model was coupled to a model for prediction of the debris bed dryout. Such coupled code allows to calculate the time necessary to have a coolable configuration of the bed. The influence of input parameters was assessed through sensitivity analysis in order to screen out the less influential parameters.

Results of the risk analysis are reported as complementary cumulative distribution functions of the conditional containment failure probability (CCFP).

Sensitivity analyses identified: effective particle diameter and debris bed porosity as the parameters that provide the largest contribution to the CCFP uncertainty. It is found that the effect of the initial maximum height of the bed on the CCFP is reduced by the self-leveling.

Abstract [sv]

Kokvattenreaktorer av nordisk typ har en djup vattenbassäng under reaktorkärlet som kan utnyttjas för att kyla härdsmältan och de fragmenterade härdresterna vid ett svårt reaktorhaveri. För att bedöma effektiviteten av en sådan haverihantering har man föreslagit användande av en riskorienterad metodik för haverianalysen (ROAAM, från engelska ”Risk-Oriented Accident Analysis Methodology”). Föreliggande projekt fokuserar på kylbarhet hos härdresterna utanför reaktortanken och bidrar till den pågående vidareutvecklingen av ROAAM till ROAAM+.

Höjden på och formen för den porösa ansamlingen av härdrester (här också kallad partikelbädd) är bland de viktigaste faktorerna som avgör om resteffekten kan kylas bort med hjälp av naturlig cirkulation av vattnet i bassängen. Ansamlingens geometriska form skapas under hela processen från utsläpp av  härdsmältan via fragmentering och sedimentering i bassängens botten. Formen kan sedan förändras med tiden genom att partiklar rör sig och omfördelas i kylflödet. Detta fenomen kallas en självnivellerande process.

I detta arbete studeras denna självnivellerande process experimentellt och analytiskt. Experimenten utfördes i en särskild experimentuppställning utformad för att att samla in data och parametrar som behövs för att simulera fenomenet och utveckla en beräkningsmodell som sluts empiriskt. Denna modell kopplades sedan till en modell för beräkning av dryout i partikelbädden. Genom denna koppling av de två beräkningsprogrammen är det är möjligt att beräkna tiden för partikelbädden att nå en kylbar konfiguration. Inverkan av variationer i modellens indata studeras med hjälp av känslighetsanalys. Härigenom identifierades de minst inflytelserika parametrarna såsom effektiv drifttid, partikeldensitet, experimentell ovisshet i de empiriska samband som används för att sluta modellen, samt omlokaliseringstid efter det att reaktorn snabbstoppats (SCRAM).  Dessa parametrar avfördes sedan från den fortsatta känslighetsanalysen.

Ett artificiellt neuralt nätverk tränades för att användas i stället för den kopplade koden och möjliggöra den beräkningseffektivitet som krävs för att studera hur osäkerheter i indata förs vidare i riskanalysen. Resultaten är presenterade i form av komplementära, kumulativa fördelningsfunktioner för den betingade sannolikheten för brott på reaktorinneslutningen (CCFP, från engelska ”conditional containment failure probability”).

Det visas att CCFP kan variera inom ett brett område beroende på de valda kombinationerna av frekvensfunktioner för ingångsparametrarna. Resultaten visar att effektiv partikeldiameter och hög porositet är de två parametrar som ger de största bidragen till osäkerheten i CCFP.

Vi har också funnit att fenomenet självnivellering har en gynnsam inverkan på CCFP och leder till lägre utsläppsrisk.

Det vore värdefullt att förfina de modeller som beskriver bildandet av den initiala partikelbädden. Detta är särskilt viktigt i de scenarier där det finns kort tid för självnivellering innan partikelbädden börjar smälta igen, dvs när man har relativt hög initial temperatur i partikelbädden och/eller hög specifik värmeeffekt.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. 78 p.
Series
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2017:15
Keyword
Self-leveling, debris bed, spreading, coolability, severe accident, probabilistic framework, Monte Carlo, uncertainty, sensitivity
National Category
Other Engineering and Technologies not elsewhere specified
Research subject
Physics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-203136 (URN)978-91-7729-309-5 (ISBN)
Public defence
2017-04-18, FA31, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
APRI
Note

QC 20170315

Available from: 2017-03-15 Created: 2017-03-13 Last updated: 2017-03-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Basso, SimoneKonovalenko, AlexanderKudinov, Pavel
By organisation
Nuclear Power Safety
In the same journal
Nuclear Engineering and Design
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Altmetric score

Total: 206 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf