Fission product transport in the primary circuit and in the containment in severe nuclear accidents
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2015-06-18
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
172
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 71/2015
Abstract
The fission product transport in the primary circuit and in the containment was investigated in nuclear reactor severe accident conditions, where the reactor core is damaged and core materials are released from the reactor pressure vessel. The re-vaporization of fission products and core materials from the circuit surfaces was investigated with special emphasis on the effects of re-volatilization on iodine speciation and transport. Secondly, aerosol transport in the containment was studied in specific turbulent natural convective flow conditions. The reaction on primary circuit surfaces was studied in an experimental facility where the precursor was heated and the concentrations of aerosol and gaseous reaction products were analysed. In the experiments temperature, precursor and reaction crucible materials and the composition of the gas atmosphere were altered. The results indicated that with pure CsI in 650 °C temperature, significant fraction of released iodine was transported in gaseous form. The increase of H2 in gas atmosphere caused the release of gaseous I and CsI particles to decrease and increase, respectively. When different additives like Mo, B and Ag were mixed with CsI, the fraction of gaseous iodine in the release was collectively increased compared to the pure CsI case. The reduction of temperature from 650 °C reduced the aerosol release with all precursors, but especially with MoO3 + CsI precursor, significant release of iodine in gaseous form was detected. Overall, the results indicated the possibility of gaseous iodine release at the re-vaporization from the circuit in conditions present in the experiments. To investigate the aerosol particle transport in the containment, a cubical differentially heated cavity was used to experimentally investigate the deposition of spherical monodisperse SiO2 particles with diameters 1 and 2.5 micron from the enclosure atmosphere. The turbulent natural convective flow was induced by the temperature difference between two vertical isothermal walls. The measurement results of the particle depletion were compared to particle tracking simulation data, obtained using a validated CFD simulation of the experimental cavity. The results indicated that the smaller particles deposited faster from the cavity than what the theoretical "stirred settling" model predicted. Simulations using a cavity with ideal adiabatic boundary conditions suggested that the faster deposition was due to specific nature of the turbulent flow conditions in the cavity, not depicted by the stirred settling model. The results presented in this thesis can be utilized in the development of the severe accident computational tools. The composition and concentration of fission products transported and deposited in the containment are important for the accurate estimation of the source term in accident conditions.Tässä väitöskirjassa tutkittiin fissiotuotteiden kulkeutumista primääripiirissä sekä suojarakennuksessa vakavassa ydinonnettomuudessa, missä ydinmateriaaleja on vapautunut reaktorin paineastiasta sydämen vaurioitumisen seurauksena. Fissiotuotteiden uudelleen höyrystymistä primääripiirin pinnalta tutkittaessa erityishuomiota kiinnitettiin jodin eri yhdisteiden vapautumiseen. Suojarakennustutkimuksessa keskityttiin hiukkasten depositioon turbulentista luonnonkiertovirtauksesta. Primääripiirin pinnalla tapahtuvien reaktioiden kokeellisessa tutkimuksessa koelaitteisto lämmitettiin kohdelämpötilaan ja määritettiin kaasumaisten sekä aerosolireaktiotuotteiden pitoisuus. Tulokset osoittivat, että CsI lähtöaineena tuotti 650 °C lämpötilassa merkittäviä määriä kaasumaisessa jodia. Vedyn suurempi pitoisuus kantokaasussa aiheutti kaasumaisen jodin määrän pienenemisen sekä CsI aerosolin määrän kasvun. Eri aineiden kuten Mo, B ja Ag lisääminen lähtöaineeseen kasvatti kaasun osuutta vapautuneessa jodissa. Kun lämpötilaa laskettiin 650 °C:stä, aerosolin vapautuminen väheni merkittävästi. Etenkin MoO3 + CsI lähtöainetta käytettäessä kaasumaista jodia vapautui silti huomattavasti. Kaiken kaikkiaan tulokset osoittivat kaasumaisen jodin vapautumisen olevan mahdollista kokeissa käytetyissä olosuhteissa. Aerosolien kulkeutumista suojarakennuksessa tutkittiin yksinkertaistetuissa koeolosuhteissa. Pallomaisten, halkaisijaltaan 1 ja 2.5 mikrometriä olevien monodispersiivisten SiO2 hiukkasten depositiota tutkittiin kuution mallisessa laatikossa, missä kaksi vastakkaista eri lämpötiloihin lämmitettyä pystyseinää saivat aikaan turbulentin luonnonkierron. Mittaustuloksia verrattiin hiukkasratasimulaatioihin, joiden laskemisessa käytetty virtausmekaniikkalaskentamalli validoitiin mitattujen virtauskenttien avulla. Tulokset sekä mittauksista että hiukkasratalaskuista osoittavat, että 1 mikrometrin hiukkasten depositio on kammiossa nopeampaa kuin mitä teoreettinen "sekoittuneen laskeutumisen" malli olettaa. Hiukkasratasimuloinnit toistettiin kammiomallilla missä käytettiin ideaalisia adiabaattisia reunaehtoja ja tulokset osoittivat pienempien hiukkasten oletettua nopeamman deposition aiheutuvan kammiossa vallitsevien olosuhteiden aikaan saaman turbulentin virtauksen vaikutuksesta hiukkasliikkeeseen, mitä yksinkertainen sekoittuneen laskeutumisen malli ei kykene kuvaamaan. Tässä väitöskirjassa esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää vakavia ydinonnettomuuksia mallintavien työkalujen kehityksessä. Fissiotuotteiden koostumuksen, kulkeutumisen ja suojarakennusdeposition tarkka tuntemus on erityisen tärkeää arvioitaessa mahdollista lähdetermiä vakavissa reaktorionnettomuuksissa.Description
Supervising professor
Tuomisto, Filip, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Lind, Terttaliisa, Dr., Paul Scherrer Institut PSI, SwitzerlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Kalilainen, J., Kärkelä, T., Zilliacus, R., Tapper, U., Auvinen, A., Jokiniemi, J., 2014. Chemical reactions of fission product deposits and iodine transport in primary circuit conditions. Nucl. Eng. Des. 267, 140-147.
DOI: 10.1016/j.nucengdes.2013.11.078 View at publisher
-
[Publication 2]: Gregoire, A.C., Kalilainen, J., Cousin, F., Mutelle, H., Cantrel, L., Auvinen, A., Haste, T., Sobanska, S., 2015. Studies on the role of molybdenum on iodine transport in the RCS in nuclear severe accident conditions. Ann. Nucl. Energy. 78, 117-129.
DOI: 10.1016/j.anucene.2014.11.026 View at publisher
-
[Publication 3]: Bottomley, P.D.W., Knebel, K., Van Winckel, S., Haste, T., Souvi, S.M.O., Auvinen, A., Kalilainen, J., Kärkelä, T., 2014. Revaporisation of fission product deposits in the primary circuit and its impact on accident source term. Ann. Nucl. Energy 74, 208-223.
DOI: 10.1016/j.anucene.2014.05.011 View at publisher
- [Publication 4]: Kalilainen, J., Rantanen, P., Lind, T., Auvinen, A., Dehbi, A.. Investigation of a turbulent particle-laden flow inside a cubical differentially heated cavity –Part 1: Experimental study. Submitted to Aerosol science and technology.
- [Publication 5]: Dehbi, A, Kalilainen, J., Lind, T., Auvinen, A.. Investigation of a turbulent particle-laden flow inside a cubical differentially heated cavity – Part 2: Large eddy simulation. Submitted to Aerosol science and technology.