Computational fluid dynamics analysis of heat transfer in nuclear reactor core melt pool
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ENG3069
Degree programme
Language
en
Pages
66
Series
Abstract
One of the major challenges in nuclear power plant design and severe accident management is the cooling and retaining of the molten reactor core material. In order to avoid the challenges of the traditional cooling methods, additional melt retention strategies, such as in-vessel melt retention (IVMR) and core catchers, have been proposed and implemented in light water reactors. Due to the highly hazardous nature of corium, these strategies are usually studied using computational tools. The purpose of this Master’s thesis is to create an OpenFOAM CFD model capable of simulating an externally cooled, single-layer corium melt pool. Even though the model is initially set up for an IVMR kind of a situation, the long-term goal is to use it to model corium behavior in a crucible-type core catcher. The model aims to solve the heat flux distribution on the curved wall, the temperature distribution within the pool, and the flow field with a sufficient accuracy. Another goal is to simulate the formation of the solid crust and the adjacent mushy zone consisting of a solid-liquid mixture, and study their thicknesses along the curved wall. SIMECO-2 experiment was chosen as the test case, and the results were compared against a pre-test analysis carried out at KTH. Additionally, the effects of the mushy zone constant found in the solidification model and the mesh resolution were studied, and the Nusselt and internal Rayleigh numbers calculated from the results were compared to the experimental Nu(Ra’) correlations. The results showed a reasonable agreement with the pre-test analysis. The calculated Nusselt and internal Rayleigh numbers corresponded the experimental correlations. Both the mushy zone coefficient and the mesh resolution were observed to have a significant effect on the simulation results, especially on the temperature distribution, crust and mushy zone thicknesses, and the distribution of wall heat flux. According to the results, it could be said that a sufficient accuracy in the simulation of homogeneous melt pools was achieved and the creation of the model can be considered successful. However, in order to double-check the validity of the model and to solve the uncertainties related to e.g. the solidification model, the model should be benchmarked against actual experimental results once they are available.Yksi keskeisimpiä haasteita ydinvoimalaitosten suunnittelussa ja vakavien reaktorionnettomuuksien hallinnassa on sydänsulan jäähdyttäminen ja pidättäminen laitoksen sisällä. Perinteisiin sydänsulan jäähdytysmenetelmiin sisältyy jonkin verran haasteita, joita vältättääkseen on kehitetty vaihtoehtoisia menetelmiä. Kevytvesireaktorien tapauksessa tällaisia menetelmiä ovat esimerkiksi sydänsulan pidättäminen paineastian alatilassa ulkopuolisen jäähdytyksen avulla sekä sydänsiepparit. Sydänsulan vaarallisuuden takia näiden menetelmien tutkimiseen käytetään yleensä tietokonesimulointia. Tämän diplomityön tarkoituksena on kehittää OpenFOAM CFD malli, jolla on mahdollista mallintaa ulkopuolelta jäähdytettyjä, homogeenisiä ja yksikerroksisia sydänsula-altaita riittävällä tarkkuudella. Vaikka malli onkin tässä työssä laadittu tilanteeseen, jossa sydänsula on pidätetty paineastian alatilaan, pitkän aikavälin tavoite on käyttää sitä myös sydänsiepparin mallintamiseen. Mallin tavoitteena on ratkaista lämpövuojakauma paineastian alatilan kaarevalla seinämällä, sydänsulaaltaan lämpötilajakauma sekä virtauskenttä riittävällä tarkkuudella. Lisäksi malli pyrkii simuloimaan kiinteän kuorikerroksen sekä sen päällä sijaitsevan kiinteä-neste-faasikerroksen muodostumista, jotta näiden kerrosten paksuudet voidaan arvioida. Tuloksia verrattiin KTH:lla suoritettuun ennakkoanalyysiin SIMECO-2 koelaitteistolla tehtävästä kokeesta. Tuloksista laskettuja Nusseltin ja Rayleighin lukuja verrattiin kokeellisiin arvoihin. Lisäksi tutkittiin hilatiheyden sekä jähmettymismalliin kuuluvan mushy zone –kertoimen vaikutusta laskentatuloksiin. Laskentatulokset vastasivat ennakkoanalyysin tuloksia kohtuullisella tarkkuudella. Saadut Nusseltin ja Reyleighin luvut myös vastasivat kokeellisia arvoja. Hilatiheydellä ja mushy zone –kertoimella havaittiin olevan merkittävä vaikutus altaan lämpötilajakaumaan, seinämän lämpövuojakaumaan sekä kuorikerroksen ja kiinteä-neste-faasin paksuuteen. Tulosten perusteella voidaan todeta, että homogeenisen sydänsula-altaan mallintaminen onnistui riittävällä tarkkuudella, ja näin ollen mallin luontia voidaan pitää onnistuneena. Malli tulisi kuitenkin vielä validoida oikeilla koetuloksilla esimerkiksi jähmettymismalliin liittyvien epävarmuuksien vuoksi.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Korpinen, AnnaTaivassalo, Veikko