Numerical simulation of severe water ingress accidents in a modular high temperature gas cooled reactor
Description
This report analyzes reverse water ingress accidents in the SIEMENS 200 MW Modular Pebble-Bed High Temperature Gas Cooled Reactor (HTR-MODULE) under the assumption of no active safety protection systems in order to find the safety margins of the current HTR-MODULE design and to realize a catastrophe-free nuclear technology. A water, steam and helium multi-phase cavity model is developed and implemented in the DSNP simulation system. The DSNP system is then used to simulate the primary and secondary circuit of a HTR-MODULE power plant. Comparisons of the model with experiments and with TINTE calculations serve as validation of the simulation. The analysis of the primary circuit tries to answer the question how fast the water enters the reactor core. It was found that the maximum H2O concentration increase in the reactor core is smaller than 0.3 kg/(m3s). The liquid water vaporization in the steam generator and H2O transport from the steam generator to the reactor core reduce the ingress velocity of the H2O into the reactor core. In order to answer the question how much water enters the primary circuit, the full cavitation of the feed water pumps is analyzed. It is found that if the secondary circuit is depressurized enough, the feed water pumps will be inherently stopped by the full cavitation. This limits the water to be pumped from the deaerator to the steam generator. A comprehensive simulation of the MODUL-HTR power plant then shows that the H2O inventory in the primary circuit can be limited to about 3000 kg. The nuclear reactivity increase caused by the water ingress leads to a fast power excursion, which, however, is inherently counterbalanced by negative feedback effects. Concerning the integrity of the fuel elements, the safety relevant temperature limit of 1600 C was not reached in any case. (orig.)
Availability note (English)
Available from FIZ Karlsruhe.Abstract (German)
Dieser Bericht analysiert schwere Wassereinbruch-Stoerfaelle im 200 MW modularen Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktor (HTR-MODUL). Dabei wird das vollstaendige Versagen aller aktiven Sicherheitssysteme unterstellt mit dem Ziel, die Sicherheitsreserven der HTR-MODUL Auslegung auszuloten und eine katastrophenfreie Kerntechnik zu realisieren. Es wurde ein Mehrphasenmodell fuer eine wasser-, dampf- und heliumgefuellte Kaverne entwickelt und in das Simulationssystem DSNP eingebaut. DSNP wird dann benutzt, um den Primaer- und Sekundaerkreislauf eines HTR-MODUL-Kraftwerkes zu simulieren. Vergleiche dieses Modells mit Experimenten und dem Programmsystem TINTE dienten der Validierung der Neuentwicklung. Die Analyse des Primaerkreislaufs zeigt, wie schnell das Wasser in den Reaktorkern gelangen kann. Die Untersuchungen ergaben, dass der Konzentrationsanstieg des Wassers im Kern kleiner als 0.3 kg/(m3s) ist. Die Verdampfung des Wassers im Dampferzeuger und der Transport von dort zum Reaktorkern reduzieren die Eintrittsgeschwindigkeit des Wassers in den Kern sehr deutlich. Zur Beantwortung der Frage, wieviel Wasser maximal in den Primaerkreis gelangen kann, wurde die vollstaendige Kavitation der Speisewasserpumpen untersucht. Wenn der Sekundaerkreis hinreichend druckentlastet wird, bleiben die Speisewasserpumpen aufgrund der einsetzenden Kavitation von selbst stehen. Dadurch wird die vom Speisewasserbehaelter zum Dampferzeuger transportierte Wassermenge begrenzt. Eine ausfuehrliche Simulation des gesamten HTR-MODUL-Kraftwerkes zeigte dann, dass so das moegliche Wasserinventar im Primaerkreis auf 3000 kg begrenzt werden kann. Die mit dem Wassereinbruch verbundene nukleare Reaktivitaetserhoehung fuehrt zu einer schnellen Leistungsexkursion, die aber durch die inhaerent wirkenden Gegenkopplungsmechanismen abgefangen wird. Die fuer die Integritaet der Brennelemente massgebende Temperaturgrenze von 1600 C wurde in keinem Fall ueberschritten. (orig.)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 140 p.
- ISSN
- 0944-2952
- Report number
- Juel--3180
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 27054105
- Subject category
- S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- CAVITATION; EXCURSIONS; FEEDBACK; FLOW MODELS; FLOW RATE; HTGR TYPE REACTORS; NUMERICAL SOLUTION; PRIMARY COOLANT CIRCUITS; REACTOR SAFETY; STEAM GENERATORS; T CODES; VALIDATION; WATER INFLUX
- Descriptors DEC
- ACCIDENTS; BOILERS; COMPUTER CODES; COOLING SYSTEMS; GAS COOLED REACTORS; GRAPHITE MODERATED REACTORS; MATHEMATICAL MODELS; REACTOR ACCIDENTS; REACTOR COMPONENTS; REACTOR COOLING SYSTEMS; REACTORS; SAFETY; TESTING; VAPOR GENERATORS