In a severe accident of light water reactors (LWRs), the molten core materials (corium) may relocate to the lower plenum of the reactor pressure vessel (RPV) and consequently impose significant thermal and mechanical loadings on the lower head of RPV. To mitigate the risk of RPV failure due to the corium attack, the external surface of the RPV lower head can be cooled by water through an in-vessel melt retention (IVMR) strategy. In the conventional IVMR design of pressurized water reactors (PWRs), the external cooling of RPV is realized by flooding the reactor cavity and forming natural circulation boiling across the lower head.  The cooling capacity is bounded by the critical heat flux (CHF) of natural circulation boiling. To overcome limitation of the conventional IVMR measure, an alternative IVMR measure was proposed in this work, which implements an efficient water spray system to cool the external surface of the lower head. 

The study of this doctoral thesis is oriented to examine the feasibility of spray cooling in the alternative IVMR strategy. For this purpose, an extensive investigation on spray cooling of a downward-facing heater surface was accomplished in this thesis, including both experimental and numerical studies on the cooling performance and influential factors that affect performance of multiple spray nozzles. The numerical models with high-fidelity predictive capabilities for multi-nozzle spray cooling of the downward-facing heater surface were validated against the experimental data. The key points of the research and the results are as follows. 

·       In experimental studies, heat transfer characteristics of water spray of an array of 2×2 spray nozzles over a relatively large heater surface were investigated. The effects of surface inclination, nozzle-to-surface distance and flowrate on spray heat transfer were investigated for the first time on the downward-facing heater surface. The heater was made of a 150 μm thick SA302B steel foil with a surface of 120 mm ´ 80 mm. Joule heating was applied by connecting the specimen to the electrodes of a DC power supply of low voltage and high current. Four full-cone pressure-swirl spray nozzles were used in the experiment. The test matrix includes the following variations of parameters: six surface inclinations (between 15 deg and 90 deg), four coolant flowrates, and three nozzle-to-surface distances. The experimental results indicated an efficient cooling potential of the multi-nozzle water spray over the downward-facing heater surface, with a maximum heat removal up to 2.50 MW/m2. The cooling performance was enhanced by increasing flowrate, but the enhancement by flowrate was diminishing after an intermediate flowrate. The surface inclination had a negligible impact on the cooling performance.

·       In numerical studies, simulation models to predict the spray cooling process were developed by adopting a coupled Eulerian-Lagrangian methodology implemented in the open-source CFD code package OpenFOAM. Prior to simulation of experiments, a validation of the models was conducted against analytical solutions of relevant hydrodynamic problems, and the results confirmed the predictive accuracy in liquid film dynamics and spray impingement on inclined surfaces. The predicted liquid film morphology had a good agreement with the experimental observation under adiabatic conditions. 

·       The numerical models were further extended to the modeling of heat transfer, thin film boiling and conjugate heat transfer in the spray cooling problem. The simulation results of full- and partial-coverage of the heater surface by respective 6- and 4-nozzle array showed reasonable agreements with experimental data across various surface inclinations. The validation exercises demonstrated the capability of the numerical approach to model complex multiphase heat transfer phenomena encountered in the spray cooling.

This work did not only improve our understanding of multi-nozzle spray cooling mechanisms over a downward-facing heater surface, but also provided basic experimental data and numerical approach for further assessment of spray cooling application to the IVMR strategy in nuclear reactor safety.

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.