Improvement and verification of steam explosion models and codes for application to accident scenarios in light water reactors [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Zoran Vujic

Improvement and verification of steam explosion models and codes for application to accident scenarios in light water reactors [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Zoran Vujic

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Institut für Kernenergetikund Energiesysteme IKE Improvement and Verification of Steam Explosion Models and Codes for Application to Accident Scenarios in Light Water Reactors Zoran Vujic Dezember 2008 IKE 2-154 Universität Stuttgart Institut für Kernenergetikund Energiesysteme IKE Improvement and Verification of Steam Explosion Models and Codes for Application to Accident Scenarios in Light Water Reactors von der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung vorgelegt von Zoran Vujic Geboren in Zrenjanin/Serbien Hauptberichter: Prof. G. Lohnert, Ph.D Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Eberhard Göde Tag der Einreichung: 06. Oktober 2008 Tag der mündlichen Prüfung: 22. Dezember 2008 ISSN – 0173 – 6892 Dezember 2008 IKE 2-154 Universität Stuttgart …dedicated to my beloved parents Abstract Steam explosions can occur during an accident with core melting in Light Water Reactors (LWR) as a consequence of the interaction between molten core material with the water inside the Reactor Pressure Vessel (RPV) or, if RPV failure cannot be excluded, due to the release of melt from the RPV into water in the cavity.

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Published 01 January 2008
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Institut für Kernenergetik
und Energiesysteme IKE












Improvement and Verification of
Steam Explosion Models and
Codes for Application to Accident
Scenarios in Light Water
Reactors








Zoran Vujic
Dezember 2008 IKE 2-154

Universität Stuttgart
Institut für Kernenergetik
und Energiesysteme IKE





Improvement and Verification of
Steam Explosion Models and
Codes for Application to Accident
Scenarios in Light Water
Reactors



von der Fakultät Energie-, Verfahrens- und
Biotechnik der Universität Stuttgart zur
Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs
(Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung


vorgelegt von
Zoran Vujic
Geboren in Zrenjanin/Serbien


Hauptberichter: Prof. G. Lohnert, Ph.D
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Eberhard Göde


Tag der Einreichung:
06. Oktober 2008
Tag der mündlichen Prüfung:
22. Dezember 2008

ISSN – 0173 – 6892

Dezember 2008 IKE 2-154

Universität Stuttgart


































…dedicated to my beloved parents



Abstract

Steam explosions can occur during an accident with core melting in Light Water
Reactors (LWR) as a consequence of the interaction between molten core material
with the water inside the Reactor Pressure Vessel (RPV) or, if RPV failure cannot be
excluded, due to the release of melt from the RPV into water in the cavity. Generally,
steam explosions progresses through two distinct phases, characterized by different
time scales for the dominant processes i.e. the premixing and explosion phase.
The objective of this thesis is to evaluate critical conditions and the resulting damage
potential of steam explosions under real reactor conditions. As a basis, models for
simulation of the premixing and the explosion phase of steam explosion are already
available as IKEJET/IKEMIX and IDEMO codes, currently under development at IKE.
A status in the development is to be reached, where the existing models and
corresponding computer programs can be applied for risk analysis and for accident
management.
A major limitation in obtaining strong steam explosions has been determined to be
the mass of melt available to be mixed with water without too high a void during the
premixing phase. The mass in the mixture is limited by the rate of melt mass
plunging into the water (pours diameter, melt velocity) and by the break-up of the
melt flow which may be assumed to take form as jets. This break-up yields the mass
which can be intermixed with water to form an explosive mixture. Steam production
under film boiling may produce a highly voided mixture which limits heat transfer
from melt to coolant, and thus decreases the possibility of a strong steam explosion.
It additionally affects the fragmentation processes. During the explosion phase, a
high void yields dampening effects due to the high compressibility of the coolant,
which in turn reduces the possibility of developing strong pressure waves. In order to
capture essential features decisive for the explosion strength and to check the
capabilities of the models to reproduce them sufficiently, verification of the codes
against specified and qualified experiments is required. First calculation attempts
performed with IKEJET/IKEMIX code for the experiment FARO L-28 showed
significant void overestimation. A reasonable explanation for such a strong steam
accumulation in the mixture was found in the used friction models yielding too high
interfacial friction between steam and water which as a consequence suppresses fast
steam escape from the mixing zone. A new model which considers different vapour
velocities for both liquid and steam continuous regimes in the transition range
(0.3 < α < 0.7) has been developed and implemented in the IKEJET/IKEMIX code.
Calculations with the improved model provided good agreement with the
experimental data for the pressure development, the energy release, jet break-up
I
and void in the mixture. Verification of the IDEMO code has been performed taking
the experiments FARO L-33 and KROTOS K-44 as a basis for this validation with the
aim of creating a unique model description for the different cases in order to be able
to extrapolate the results to reactor conditions.
Calculations for reactor conditions are carried out in order to asses the capabilities of
the codes and to get a perspective of the limiting effects on explosion strength and
the resulting loads. It was attempted to reach the most challenging conditions by
considering conditions with highest amounts of melt in the mixture in the frame of
the underlying scenario conditions. This has been accomplished by varying the melt
composition, the melt diameter, the flow rate, the water level, the possible lateral
extension of the mixture and the trigger time. It appeared that the limitations to
strong steam explosions due to water depletion and in addition, partial jet break-up,
strongly reduce the damaging potential of steam explosion, at least in saturated
conditions, much more than it had been assumed earlier.

II
Kurzfassung

Bei schweren Störfällen in Leichtwasserreaktoren (LWR) mit Auftreten von
Kernschmelze können Dampfexplosionen als Folge von Wechselwirkungen zwischen
geschmolzenem Reaktorinventar und Wasser innerhalb des Reaktordruckbehälters
(RDB) oder, bei Versagen des RDB durch Einströmen von Schmelze in die
wassergefüllte Reaktorgrube, nicht ausgeschlossen werden. Beim Ablauf von
Dampfexplosionen können zwei verschiedene Phasen identifiziert werden, die sich
durch verschiedene Zeitskalen für die sie dominierenden Prozesse charakterisieren
lassen: Die Vorvermischungs- und die Explosionsphase.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung von kritischen Bedingungen für das
Auftreten von Dampfexplosionen und das daraus resultierende Zerstörungspotenzial
unter realen Reaktorbedingungen. Als Grundlage hierfür werden die
Rechenprogramme IKEJET/IKEMIX für die Vorvermischungs- und IDEMO für die
Explosionsphase verwendet, die sich am IKE in der Entwicklung befinden. Es soll ein
Stand erreicht werden, der eine Verwendung der existierenden Modelle und der
korrespondierenden Rechenprogramme für Risikoanalyse und Risikomanagement
erlaubt.
Als begrenzender Faktor, der das Ausmaß der Dampfexplosion wesentlich bestimmt,
wurde die Masse der Schmelze, welche mit Wasser ohne größeren Dampfanteil
vermischt wird, identifiziert. Die Schmelzemasse in der Mischung wird sowohl durch
die in Form von angenommenen Schmelzestrahlen ins Wasser fallende
Schmelzemasse (Durchmesser des Schmelzestrahls, Strömungsgeschwindigkeit der
Schmelze), als auch durch die Zerteilung der Schmelze-Strömung bestimmt. Diese
Zerteilung der Schmelze bei zusätzlicher Durchmischung mit Wasser kann
möglicherweise zu explosionsfähigen Mischungen führen. Dampfproduktion durch
Dampffilmsieden kann zu dampfreichen Mischungen führen, mit einem stark
erniedrigten Potenzial für Dampfexplosionen, da der Wärmeübergang von Schmelze
auf Kühlmittel stark reduziert wird. Außerdem beeinflusst der Dampfanteil selbst
auch den Fragmentierungsprozess. Ein hoher Dampfanteil in der Mischung führt
durch die resultierende Kompressibilität des Gemischs zur Dämpfung der Druckwelle
einer Dampfexplosion während der Explosionsphase. Um die für die Explosionsstärke
wesentlichen Größen sowie die Aussagekraft der Modelle ausreichend zu überprüfen,
müssen die entwickelten Rechenprogramme einer Plausibilitätsprüfung unterzogen
werden. Dazu werden geeignete und genau beschriebene Experimente
nachgerechnet. Resultate erster, für das Experiment FARO L-28 mit IKEMIX/IKEJET
durchgeführte Rechnungen, wies starke Überschätzung des Dampfanteils in der
Vorvermischung auf. Als Ursache für die überhöhte, simulierte Dampfakkumulation in
III
der Mischung wurde die mit herkömmlichen Modellen berechnete zu hohe
Interphasenreibung zwischen Dampf und Wasser ausgemacht. Diese verhindert eine
schnellere Dampfflucht aus der Mischungszone. Ein neues Modell für die
Interphasenreibung im Übergangsbereich zwischen wasserkontinuierlichem und
dampfkontinuierlichem Bereich wurde entwickelt. Die zugrunde liegende Annahme
hierfür ist die Existenz von vertikalen Dampfkanälen mit eigenen
Dampfgeschwindigkeiten im Übergangsbereich (0.3 < α < 0.7), gegenüber dem
wasserkontinuierlichen Bereich des Übergangsbereichs. Dieses Modell wurde in
IKEJET/IKEMIX implementiert. Rechnungen mit dem verbesserten Modell zeigen gute
Übereinstimmung mit den experimentellen Daten für den Druckanstieg, die
Energiefreisetzung, den Strahlzerteilung und den Dampfanteil in der Mischung.
Verifikationsrechnungen mit dem Explosionscode IDEMO wurden für die Experimente
FARO L-33 und KROTOS K-44 durchgeführt mit dem Ziel einer allgemein gültigen
Modellierung zur Beschreibung dieser Experimente mit verschiedenen
Schmelzematerialien (Corium vs. Al O), um einen auf Reaktorbedingungen 2 3
extrapolierbaren Code zu bekommen.
Rechnungen für Reaktorbedingungen werden durchgeführt, um die Fähigkeiten der
Codes im Allgemeinen abzuschätzen und um eine Perspektive der die
Explosionsstärke und resultierenden Belastungen begrenzenden Effekte zu erhalten.
Es wurde versucht für die zugrunde liegenden Szenarien die Bedingungen
herauszuarbeiten, bei denen die höchsten Schmelzemasse in der Mischung erreicht
werden. Hierzu wurde die Schmelzezusammensetzung, der
Schmelzestrahldurchmesser, der Schmelzemassenstrom, der Wasserspiegel, die
mögliche laterale Ausdehnung der Mischung und der Triggerzeitpunkt variiert. Die
Resultate weisen auf eine Limitierung von starken Dampfexplosionen hin aufgrund
von wasserarmen Mischungsverhältnissen und zusätzlich wegen des partiellen
Strahlaufteilung/-zerteilung ein - gegenüber früheren Annahmen - stark reduziertes
Schädigungspotential von Dampfexplosionen bei gesättigten Bedingungen.



IV