Ex-Vessel Steam Explosion Analysis with MC3D

Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-10-25
Department
Major/Subject
Energiatieteet
Mcode
F3002
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
11 + 83
Series
Abstract
A steam explosion is a fast fuel-coolant interaction that might occur if an accident scenario proceeds to late-phase including core degradation and melt relocation. It is of importance in safety research of severe accidents as it could possibly cause loss of safety barriers preventing the release of fission products. The focus is on the type of steam explosion known as ex-vessel steam explosion which can occur if the reactor pressure vessel breaks and molten core material is released into the containment vessel. A literature review of the steam explosion phenomenon is provided, followed by a description of the MC3D code, used in this thesis to assess the steam explosion loads in Nordic BWR geometry and examine the sensitivity of the results for some key input parameters. The effect of an ex-vessel steam explosion is analyzed via computational models. The main focus of the analysis is on the dynamic loads on the cavity wall imposed by the explosion. Simulations were made to analyze the effect of different triggering times on a standard case with central break location. The results showed that as long as the mixture is triggerable the resulting explosion is fairly similar. Different side breaks scenarios were also tested but here the mixture did not trigger. The sensitivity analysis was done for melt temperature, coolant subcooling, cavity water level and melt drop size. The results show that the parameter with the strongest effect is the drop size, which is largely tied to the physical properties of the melt.

Ångexplosioner är en snabb bränsle-vattenreaktion som kan uppstå i och med en allvarlig olycka i ett kärnkraftverk, ifall olyckan fortskrider till ett sådant stadie att reaktorkärnan degraderar och smälter. Ångexplosioner kan försvaga eller förstöra sådana barriärer som annars skulle förhindra ett utsläpp av fissionsprodukter vid en allvarlig olycka, och är därför ett viktigt område inom kärnsäkerhetsforskningen. I detta diplomarbete ligger fokus på den form av ångexplosioner som kan ske när reaktor tryckkärlet brister och smälta rinner ner i en vätskefylld reaktorinneslutning. En litteraturstudie över ångexplosioner är inkluderad i arbetet, följt av en genomgång av det simuleringsverktyg, MC3D, som använts för simuleringar av dynamisk last på olika geometrier i en nordisk kokvatten reaktor. MC3D har även använts för att göra en känslighetsanalys för några av de huvudparametrar som påverkar ångexplosioner. Effekterna av en ångexplosion i en reaktorinneslutning analyserades via datamodeller där huvudfokus lades på impulsen som inneslutningsväggarna utsattes för. Simulationerna gjordes för att analysera olika tändningsögonblicks inverkan på explosions styrka vid ett standard fall med central öppning i reaktortryckkärlet. Resultaten visade att så länge blandningen antänds kommer de resulterande explosionerna att vara av samma styrka. Även olika sidoöppningar i reaktortryckkärlet simulerades men dessa antändes ej. Känslighetsanalysen gjordes för följande parametrar: smältans temperatur, vattnets temperatur, inneslutningens vatten fyllnadsgrad samt den fragmenterade smältans dropp storlek. Från resultaten står det klart att det är dropp storleken som har störst inverkan på explosionen. Dropp storleken är starkt bunden till smältans material egenskaper.
Description
Supervisor
Tuomisto, Filip
Thesis advisor
Nieminen, Anna
Keywords
steam explosions, MC3D, FCI, ex-vessel steam explosions, severe accidents
Other note
Citation
Collections