Modeling corium melt infiltration into porous debris beds is crucial for predicting and mitigating severe accidents in nuclear power plants. A comprehensive understanding of melt infiltration requires both experimental and numerical approaches. 

Experimentally, two key studies are conducted: One quantifies the wettability of various surfaces by metallic melt, while the other examines one-dimensional melt infiltration dynamics in porous media composed of corresponding materials (MRSPOD-1D). The results indicate that wettability significantly influences infiltration dynamics, with wettable surfaces facilitating initial infiltration and non-wettable surfaces impeding it. 

Numerically, a multiscale modeling framework is employed, spanning from an interface- resolved (pore-scale) method to a space-averaged (macroscopic) approach. The numerical study of this thesis first focuses on developing and validating a pore-scale numerical model that simulates molten metal relocation using interface tracking methods. The model integrates the Level-Set (LS) method to track the metal-gas interface and the enthalpy-porosity approach to account for phase changes. Validation is performed using REMCOD-E8 and REMCOD-E9 experimental data. 

Building on the experimental and pore-scale findings, a macroscopic model is developed by coupling the LS method with the Brinkman equations. The macroscopic model is validated against MRSPOD-1D and REMCOD experiments and further assessed through comparisons with pore-scale simulations. 

The multiscale modeling approach reveals the complex interplay among particle surface wettability, pore size, the melt pressure head, melt superheat, and particulate bed temperature on the dynamics of the melt infiltration: (1) enhanced surface wettability consistently promotes melt infiltration and heat transfer across all Bond numbers, though it can also trigger early solidification, particularly at low Bond numbers; (2) melt infiltration becomes more sensitive to the wettability as pore size decreases, occurring in non-wettable media only when melt pressure overcomes capillary resistance, while this sensitivity diminishes as pore size increases; (3) at high Bond numbers, infiltration rates strongly depend on the initial melt pressure head, which drives faster infiltration until the melt layer atop the bed is depleted; (4) higher initial particulate bed temperatures and melt superheat enhance infiltration, whereas lower temperatures may cause solidification arrest, indicating that additional heat sources in reactor-relevant scenarios could promote remelting and facilitate deeper infiltration; (5) pore-scale simulations more accurately capture infiltration dynamics when solidification occurs, whereas both pore-scale and macroscopic models yield comparable results in high-temperature cases without solidification. 

This thesis advances the understanding of melt infiltration mechanisms and provides validated tools for severe accident modeling, which are critical for enhancing severe accident management strategies. 

Att modellera koriumsmältinfiltration i porösa brusbädd är kritiskt för att förutsäga och mildra svåra haverier i kärnkraftverk. En omfattande förståelse av smältinfiltration kräver både experimentella och numeriska metoder. 

Experimentellt genomförs två huvudstudier: Den ena kvantifierar vätningen hos olika ytor av metalliska smältor, medan den andra undersöker endimensionell smältinfiltrationsdynamik i porösa medier sammansatta av motsvarande material (MRSPOD-1D). Resultaten indikerar att vätbarheten signifikant påverkar infiltrationsdynamiken, med vätbara ytor som underlättar initial infiltration och icke vätbara ytor som hindrar den. 

Numeriskt används ett flerskaligt modelleringsramverk, som spänner från en upplösning i skalan av gränssnittet mellan porerna och fluiden, till en rymdgenomsnittlig metod i makroskopisk skala. Den numeriska studien av denna avhandling fokuserar först på att utveckla och validera en numerisk modell i porskala som simulerar förflyttningen av smält metall med metoder som spårar gränssnittet. Modellen integrerar metoden Level-Set (LS) för att spåra metall-gas-gränssnittet och entalpi-porositetsmetoden för att ta hänsyn till fasförändringar. Validering utförs med hjälp av REMCOD-E8- och REMCOD-E9-experiment. 

Med utgångspunkt i de experimentella fynden och fynden i porskalan utvecklas en makroskopisk modell genom att koppla LS-metoden med Brinkman-ekvationerna för att approximera smältinfiltrationsdynamiken. Modellen valideras gentemot MRSPOD-1D och REMCOD-experiment och utvärderas vidare genom jämförelser med simuleringar i porskala. 

Den flerskaliga modelleringsmetoden avslöjar det komplexa samspelet mellan partikelytornas vätbarhet, porstorlek, smältans tryckhöjd, smältans fallhöjd, smältöverhettning och partikelbäddtemperatur på dynamiken i smältinfiltrationen: (1) förbättrad ytvätningsförmåga främjar konsekvent smältinfiltration och värmeöverföring över alla Bondtal, även om den också kan orsaka tidig förstelning, särskilt vid låga Bondtal; (2) smältinfiltration blir mer känslig för vätningsförmågan när porstorleken minskar, och inträffar i icke-vätbara medier endast när smälttrycket övervinner kapillärmotståndet, medan denna känslighet minskar när porstorleken ökar; (3) vid höga Bondtal beror infiltrationshastigheterna starkt på det initiala smälttryckspelaren, vilket driver snabbare infiltration tills smältlagret ovanpå bädden är uttömt; (4) förhöjda initiala temperaturer i partikelbädden och smältans överhettning främjar infiltrationen, medan lägre temperaturer kan leda till stelning som avbryter processen, vilket tyder på att ytterligare värmekällor i reaktorrelevanta scenarier skulle kunna främja omsmältning och underlätta djupare infiltration; (5) porskalesimuleringar fångar infiltrationsdynamiken mer exakt när förstelning inträffar, medan både porskale- och makroskopiska modeller ger jämförbara resultat i högtemperaturfall utan stelning. 

Denna avhandling främjar förståelsen av smältinfiltrationsmekanismer och tillhandahåller validerade verktyg för modellering av svåra haverier, som är avgörande för att förbättra strategier för hantering av svåra haverier.