Simulation of Melt Infiltration and Spreading using Moving Particle Semi-implicit Method

QC 2024-05-16

Abstract

Vid svåra haverier med härdsmälta i lättvattenreaktorer kan smältan penetrera porösa material (infiltration av smälta) då smältan förflyttas ner ovanpå fragmenterade härdrester eller efter torrkokning och återsmältning av metalliska partiklar med stål och zirkonium eller mer eldfasta oxidpartiklar med bränsle och oxiderad zirkonium i en het region av en bädd av fragmenterade härdrester. Infiltration av smälta kan uppstå både i och utanför reaktortryckkärlet under förloppet av ett svårt haveri. Om en bädd av härdrester i reaktortryckkärlets nedre plenum exempelvis är okylbar, uppstår infiltration av smälta på grund av återsmältning av härdrester som kan inverka på reaktortryckkärlets brottmekanism och brottställe. Efter brott rinner smältan ur reaktortryckkärlet och sprids ut på golvet i utrymmet under reaktortanken om golvet är torrt eller täckt av grunt vatten. Med en djup vattennivå under reaktortanken kan återsmältning av okylbara härdrester också resultera i att smältan sprids ut under vattnet. Det är uppenbart att modellering av smältinfiltration och smältspridning är avgörande inte bara för att förutsäga svåra haveriers utveckling, utan också för analyser av härdresternas kylbarhet och kvarhållning i reaktortryckkärlet. Trots betydelsen av infiltrering och spridning är det arbete som hittills genomförts inom mekanistisk modellering av infiltrationsfenomenen otillräckligt.

Syftet med denna doktorsavhandling är att utveckla verklighetsnära prognosverktyg för smältinfiltration och -spridning, vilka kan användas för att underbygga förståelsen av smältinfiltration i reaktortanken och i utrymmet under den. Fokus för arbetet är att utveckla en beräkningskod med multifysik-modeller för modellering av specifika fenomen som är viktiga för smältinfiltration och smältspridning. Modellerna och koden är baserade på metoden eng. Moving Particle Semi-implicit (MPS), med utgångspunkt från tvådimensionell representation och vidare utveckling till tredimensionella simuleringar.

Avhandlingen beskriver först MPS-metoden som är en nätfri (eng. meshfree) metod lämplig för flöde med fri yta (eng. free-surface flow). De tillämpade ekvationerna, inklusive ekvationer för massans, rörelsemängdens och energins bevarande, diskretiseras med partikelinteraktionsmodeller, såsom gradientmodell och Laplace-operator-modell (eng. Laplacian model). Vidare är modeller för viskositet och fasförändring, ytspänning och vätbarhet implementerade i koden. Ytterligare modeller läggs till för flerfasflöde, formation av skorpa och värmeöverföring genom filmkokning för relevanta tillämpningar.

Den utvecklade MPS-koden valideras sedan mot olika experiment för analyser av smältinfiltration i reaktortanken, och i utrymmet under reaktortanken under torra och våta förhållanden. I synnerhet har tre separata numeriska studier genomförts för att undersöka MPS-kodens möjligheter för prognoser av smältinfiltration, smältspridning under torrt tillstånd och smältspridning under vatten. Huvudpunkterna från de tre numeriska studierna är följande.

• MPS-koden tillämpas för att förutsäga smältinfiltrationsfenomen i olika partikelbäddar som använts i REMCOD-experimenten utförda vid KTH-NPS med simulerade härdmaterial. Vätbarhetsmodellen, som kännetecknas av kontaktvinkeln mellan smältan och bädden av fragmenterade härdrester, är implementerad. REMCOD-E09-C4- och E09-C2-testerna beräknas där smältan tränger igenom heta fragmentbäddar med sfäriska respektive cylindriska partiklar. Sedan tillämpas MPS-koden för att simulera REMCOD-E08-C4-testet där bäddens temperatur understiger smältans smältpunkt, varigenom smältan stelnar. Resultaten tyder på att smältinfiltrationsprocessen i experimentet med cylindriska partiklar kan förutsägas genom att använda Sauterdiametern. Dessutom visar simuleringen en god överensstämmelse med testerna.

• MPS-koden utökas ytterligare och tillämpas för testet med spridning på torr yta. En modifierad modell för bildning av skorpa har föreslagits baserat på ett stelkroppsantagande för att behålla skorpans dynamiska form, vilket är lämpligt för den skorpa som bildas på den övre ytan. Två tester utförda vid KTH simuleras som endimensionella respektive tvådimensionella spridningssystem. Dessa simuleringar koncentrerar sig på hydrodynamisk rörelse och värmeöverföring samtidigt som man bortser från tillhörande fenomen som reaktioner mellan smälta och betong (MCCI) och produktion av gasformiga betongnedbrytningsprodukter. Resultaten påvisar förmågan hos MPS-koden att förutsäga smältfrontens utbredning och spridningstjocklek i ett torrt utrymme.

• MPS-kodfunktionerna utökas ytterligare för att modellera de specifika fenomen som uppstår under smältspridning över substrat under ett vattenskikt, såsom flerfasflöde och värmeöverföring vid filmkokning. En utjämningsmetod (eng. smoothing scheme) föreslås för att ersätta de verkliga egenskaperna hos partiklar i gränsytan för flerfasflöde. Värmeöverföring genom filmkokning beräknas längs kokkurvans filmkokningsregion. För validering används sedan den uppdaterade MPS-koden för att simulera testerna S3E-2MWS-Ox-1 och PULiMS-E9, som genomförts på KTH. Dessa simuleringar fokuserar på att undersöka de termohydrauliska karaktäristika hos smältspridning under vatten i 1D och 2D, och de förutsäger smältfrontens utbredning och den slutliga tjockleken hos smältan väl.

Generellt sett erbjuder den utvecklade MPS-koden ett nytt sätt att förutsäga smältinfiltration och smältspridning i reaktortryckkärlet respektive utrymmet under reaktortanken med hög tillförlitlighet. Insikten från simuleringarna bidrar till förståelsen av härdsmältans kylbarhet och kvarhållning i reaktortryckkärlet.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346458