Analysis and modeling of ex-vessel underwater cooling processes of debris bed and molten corium pool in interaction with concrete
Creators
- Villarreal Larrauri, Alejandro
- Universite de Lorraine, Ecole doctorale Sciences et Ingenierie des Molecules, des Produits, des Procedes, et de l'Energie - Simppe, Laboratoire Energies et Mecanique Theorique et Appliquee - Lemta, UMR 7563 (France)
- Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire - IRSN, Laboratoire d'Etude de la Physique du Corium - LEPC, IRSN/PSN-RES/SAG/LEPC (France)
Description
In the case of a hypothetical nuclear severe accident with partial or extensive core meltdown, the superheated magma made of molten steel and fuel, called corium (T > 2500 K), may threaten the integrity of the reactor pressure vessel and subsequently the reactor containment building, if long-term corium coolability is not assured. The coolability by water injection and successive water penetration into the corium through the upper surface is analyzed for two expected configurations: particle bed, and corium pool overlaying the concrete. The second configuration is linked to the situation of Molten Corium-Concrete Interaction (MCCI), where a crust is formed in the upper corium surface when it comes into contact with water and is later subjected to thermal stresses that lead to its fracturing. The challenge is to characterize the effectiveness of extracting heat by the possible water penetration into the crust. The first configuration can be expected in two different situations: melt fragmentation coming from the rupture of the reactor pressure vessel and expulsion of the corium, or during melt eruption episodes through the corium crust during MCCI via corium entrainment by the concrete decomposition gases. The phenomena linked to the water penetration into the corium for these two configurations are examined through an in-depth analysis of the available experimental results, by the development of an analytical model and finally through the modification and use of the Computational Multi-Fluid Dynamics (CMFD) code MC3D. One dimensional analysis conducts to a better understanding of the minutia of the two-phase countercurrent flow through the porous media and leads the proposal of a simplified heat flux model for the water penetration with corresponding relations applicable for both configurations of interest. Furthermore, the development and the impact of penetrating front instability are studied with the help of 2D MC3D simulations, which show important effects of the initial temperature and the permeability of the corium configuration on the penetration front velocity and appearance of the instabilities. The analytical model is extended to a pseudo-two-dimensional two-zone configuration (with one zone subjected to a two-phase countercurrent flow and another through which monophasic superheated vapor flows) to analyze in greater detail the impact of the penetrating front heterogeneity over the extracted heat flux. The mechanism of water penetration through a fractured crust is revisited. The analysis indicates strong border effects in the SSWICS tests (Argonne National Laboratories) dedicated to the study of this phenomenon. The conclusions of precedent studies on the efficiency of the phenomena could not, therefore, be confirmed due to important uncertainties over the process of fracturing, overly sensitive to the mechanical properties of corium, which in turn are not properly characterized. Finally, the models, and simulations, are applied to real accidental scenarios, including the presence of residual power. For the debris bed, the extracted heat flux, and the cooling capabilities are less than those found using the simplified dry-out heat flux criteria. (author)
Abstract (French)
En cas d'accident grave avec fusion du coeur, le magma surchauffe constitue d'acier et de combustible fondu, appele corium (T> 2500 K), peut menacer l'integrite de la cuve du reacteur, puis du batiment de confinement, si le refroidissement du corium n'est pas assure. La capacite de refroidissement en situation hors-cuve, par l'injection d'eau et penetration de celle-ci dans le corium en surface superieure, est etudiee pour deux configurations attendues: le lit de particules et bain de corium. La seconde configuration est liee a la situation d'interaction corium-beton (ICB) ou une croute se forme en face superieure en contact avec l'eau, puis est soumise a une fracturation a cause des effets thermiques dans cette croute. L'enjeu est de caracteriser l'efficacite d'une eventuelle penetration de l'eau dans la croute. La premiere configuration peut intervenir en particulier dans deux situations suite a une fragmentation du corium dans l'eau: lors de l'ejection hors de la cuve, ou suite a des periodes d'ejection a travers la croute en phase d'ICB par entrainement du corium par des gaz issus de l'ablation du beton. Les phenomenes de penetration de l'eau dans le corium sont examines par une analyse approfondie des resultats des experiences disponibles, par la mise au point d'un modele analytique 1D et par la modification et l'utilisation du code de thermohydraulique multiphasique multi-fluides (CMFD) MC3D. L'analyse 1D permet de mieux comprendre les details de l'ecoulement diphasique dans la matrice poreuse et conduit a proposer un model simplifie de penetration de l'eau, avec des relations correspondantes applicables pour les deux configurations d'interet. Par ailleurs, le developpement et l'impact d'instabilites au front de penetration sont etudies avec des simulations 2D avec MC3D, illustrant le role important de la temperature initiale du lit et sa permeabilite sur la vitesse de penetration du front, et sur l'apparition des instabilites. Le modele analytique est alors etendu a une configuration a deux zones (une zone soumise a un ecoulement diphasique en contre-courant et une zone monophasique dans laquelle la vapeur surchauffe traverse) pour analyser plus en detail l'impact des heterogeneites de progression du front sur les flux thermiques extraits. Le mecanisme de penetration de l'eau dans les croutes est discute. L'analyse indique de forts effets de bords sur les processus de fracturation dans les essais SSWICS (Argonne Nat. Lab.), dedies a ce phenomene. Les conclusions des travaux precedents sur l'efficacite du phenomene ne peuvent des lors etre confirmees du fait des fortes incertitudes sur les processus de fracturation, tres sensibles aux proprietes mecaniques du corium, tres mal caracterisees. Finalement, les modeles sont appliques aux situations reelles impliquant la presence de la puissance residuelle. Pour les lits de debris, les flux extraits et les capacites de refroidissement sont moindres qu'avec l'utilisation du critere simplifie de 'flux d'assechement'. (auteur)
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Analyse et modelisation des processus de refroidissement sous eau des lits de debris et des bains de corium en interaction avec le beton
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 250 p.
- Report number
- FRNC-TH--14433
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54069515
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S22: GENERAL STUDIES OF NUCLEAR REACTORS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CONCRETES; CONTAINMENT BUILDINGS; FLUID MECHANICS; FRAGMENTATION; HEAT; HEAT FLUX; MECHANICAL PROPERTIES; MELTDOWN; MOLTEN CORE-CONCRETE INTERACTIONS; NUCLEAR FUELS; ONE-DIMENSIONAL CALCULATIONS; POROUS MATERIALS; PRESSURE VESSELS; RESIDUAL POWER; STEELS; THERMAL STRESSES; TWO-DIMENSIONAL SYSTEMS; VAPORS
- Descriptors DEC
- ACCIDENTS; ALLOYS; BEYOND-DESIGN-BASIS ACCIDENTS; BUILDING MATERIALS; BUILDINGS; CARBON ADDITIONS; CONTAINERS; CONTAINMENT; CRYSTAL LATTICES; CRYSTAL STRUCTURE; ENERGY; ENERGY SOURCES; FLUIDS; FUELS; GASES; IRON ALLOYS; IRON BASE ALLOYS; MATERIALS; MECHANICS; NUCLEAR POWER; POWER; REACTOR ACCIDENTS; REACTOR MATERIALS; SEVERE ACCIDENTS; STRESSES; TRANSITION ELEMENT ALLOYS
Optional Information
- Notes
- 224 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses