Simulating Molten Corium-Concrete Interaction in Spent Fuel Pools with MELCOR Computer Code
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
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
2025-02-17
Department
Major/Subject
Advanced Energy Technologies
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
89
Series
Abstract
Spent fuel pools are storage pools designed to store spent nuclear fuel, which continues to emit decay heat and ionising radiation even after being removed from the reactor core. The primary functions of these pools are to provide cooling for the fuel and to shield the surroundings from radiation. In a hypothetical scenario where all cooling systems fail, the loss of cooling would cause the pool water to boil, eventually exposing the fuel assemblies. Without sufficient water coverage, decay heat cannot be effectively removed, leading to overheating and fuel melting. The molten fuel might then relocate to the bottom of the pool, potentially interacting with the concrete floor and initiating a phenomenon known as molten corium–concrete interaction (MCCI). MCCI is a complex process involving heat transfer from molten nuclear fuel to concrete, leading to its decomposition and ablation. This can compromise the integrity of the containment building, potentially resulting in the release of radioactive materials. Additionally, MCCI produces combustible hydrogen, as well as other noncondensable gases that may contribute to containment over-pressurisation. This thesis studies the potential melt-through of the spent fuel pool in the Loviisa Nuclear Power Plant (NPP) using MELCOR computer code. The primary objectives are to evaluate the time scale for a potential containment breach and to assess the effectiveness of water flooding in terminating the MCCI. The simulation results indicate that concrete ablation is strongly influenced by the decay heat level within the spent fuel. However, the ablation patterns observed in the simulations differ from those reported in experimental studies, underlining the need for cautious interpretation. The results suggest that water flooding is an effective mitigation strategy for shallow melt pools with relatively low decay heat, aligning with findings from experimental studies.Käytetyn polttoaineen altaissa säilytetään ydinreaktorista poistettua polttoainetta, joka tuottaa edelleen merkittävän määrän jälkilämpöä ja ionisoivaa säteilyä. Altaiden ensisijaisena tehtävänä on estää polttoaineen ylikuumeneminen ja suojata ympäristöä ionisoivalta säteilyltä. Hypoteettisessa onnettomuustilanteessa, jossa kaikki altaan jäähdytysjärjestelmät menetetään, käytetyn polttoaineen jälkilämpö alkaa kiehuttaa allasvettä. Kun vedenpinta laskee riittävän alas, polttoaineniput paljastuvat, mikä saattaa johtaa polttoaineen ylikuumenemiseen ja sulamiseen. Kun sula polttoaine valuu altaan pohjalle, se voi reagoida betonirakenteiden kanssa aloittaen sydänsula-betoni-vuorovaikutuksen. Sydänsula-betoni-vuorovaikutus on monimutkainen ilmiö, jossa käytetyn polttoaineen jälkilämpö sulattaa ja hajottaa betonia. Betonin sulaminen voi uhata suojarakennuksen eheyttä ja mahdollistaa radioaktiivisen päästön ympäristöön. Lisäksi sydänsula-betoni-vuorovaikutuksessa syntyy vetyä, joka herkästi palavana kaasuna aiheuttaa räjähdysvaaran, sekä muita lauhtumattomia kaasuja, jotka voivat johtaa suojarakennuksen paineen kasvuun. Tässä diplomityössä tutkitaan sydänsula-betoni-vuorovaikutusta Loviisan ydinvoimalaitosten vaihtolatausaltaissa. Työssä rakennetaan simulaatiomalli vakavien reaktorionnettomuuksien mallintamiseen kehitetyllä MELCOR-laskentakoodilla. Työn tavoitteena on arvioida, kuinka kauan suojarakennuksen eheys säilyy, jos sydänsula-betoni-vuorovaikutus pääsee etenemään. Lisäksi työssä arvioidaan mahdollisuutta jäähdyttää sydänsulaa vesitulvituksen avulla. Simuloidut tulokset osoittavat, että betonin ablaatio riippuu voimakkaasti polttoaineen jälkilämpötehosta. Simuloitu ablaatio poikkeaa kuitenkin kokeellisissa testeissä tehdyistä havainnoista, mikä korostaa tulosten varovaisen tulkinnan tärkeyttä. Tulokset osoittavat, että tulvittaminen on tehokas menetelmä sydänsula-betoni-vuorovaikutuksen pysäyttämiseen erityisesti matalissa sula-altaissa, joissa jälkilämpöteho on vähäinen. Nämä havainnot ovat yhdenmukaisia kokeellisten tulosten kanssa.Description
Supervisor
Sand, AndreaThesis advisor
Laato, TaistoKeywords
molten corium–concrete interaction, MCCI, spent fuel pool, SFP, severe accident management, MELCOR