Coolability of corium debris under severe accident conditions in light water reactors

The debris bed which may be formed in different stages of a severe accident will be hot and heated by decay heat from the radioactive fission products. In order to establish a steady state of long-term cooling, this hot debris needs to be quenched at first. If quenching by water ingression into the dry bed is not rapid enough then heat-up by decay heat in still dry regions may again yield melting. Thus, chances of coolability must be investigated considering quenching against heat-up due to decay heat, in the context of reactor safety research. As a basis of the present investigations, models for simulation of two phase flow through porous medium were already available in the MEWA code, being under development at IKE. The objective of this thesis is to apply the code in essential phases of severe accidents and to investigate the chances, options and measures for coolability. Further, within the tasks, improvements to remove weaknesses in modeling and implementation of extensions concerning missing parts are included. It was identified previously that classical models without explicit considering the interfacial friction, can predict dryout heat flux (DHF) well under top fed condition but under-predict DHF values under bottom flooding conditions. Tung & Dhir introduced an interfacial friction term in their model, but this model has deficits for smaller particles considered as relevant for reactor conditions. Therefore, some modification of Tung & Dhir model is proposed in the present work to extent it for smaller particles. A significant improvement with the new friction description (Modified Tung & Dhir, MTD) is obtained considering the aim of a unified description for both top and bottom flooding conditions and for broad bandwidth of bed conditions. Calculations for reactor conditions are carried out in order to explore whether or to which degree coolability can be concluded, how strong the trend to coolability is and where major limits occur. The general result from the various calculations in this work is that there exist significant cooling margins and strong trends to coolability which is achieved due to multidimensional cooling options, especially lateral and bottom ingression of water, established in the core region through an intact rod or bypass region, in the lower head through the wall and in the cavity due to the shape (heap) of the bed. These cooling options together with cooling effects of steam flow through a hot dry zone provide mechanisms to facilitate and support quenching processes. Limits also have been obtained, mainly with significant piling up of particles, cake parts with very low porosities and bed with very small particles. The initial temperature distribution inside the bed has a major influence on the coolability behavior of the bed, no matter if the bed is located in the lower head or in the flooded cavity. Previously, quenching calculations were only possible for given debris configurations starting from assumed initial temperatures. However, assuming the whole bed at a uniform initial temperature strongly misses the real process in which settling of partly solidified melt drops occurs simultaneously with water inflow and quenching. Therefore, in the frame of this work, the MEWA models have been extended i.e. coupled to jet breakup and mixing model (JEMI) to treat the combined process. This improved the capabilities of realistic analysis significantly and showed significant effects on cooling in the calculations. Another important step for the improvement of overall modeling of coolability is undertaken by introducing the porosity formation in liquid melt layers through the supply of water from the bottom (COMET concept) in the MEWA model. The related modeling is implemented for situations where liquid melt arrives un-fragmented at the cavity floor due to incomplete breakup of melt. Im Verlauf eines schweren Reaktor-Unfalls kann es dazu kommen, dass der Reaktorkern sich bei unzureichender Kuhlung aufgrund der freigesetzten Nachzerfallswarme weiter aufheizt und schmilzt. Wahrend verschiedener Stadien eines solchen Unfallablaufs konnen sich Schuttbetten bilden. Eine auf diese Weise gebildete Schuttung ist zunachst trocken und heis und setzt durch den Nachzerfall der darin enthaltenen radioaktiven Spaltprodukte weiterhin Warme frei. Um eine stetige und langfristige Kuhlung zu erreichen, muss das heise und trockene Schuttbett zunachst abgeschreckt, d.h. mit Wasser geflutet und abgekuhlt werden. Falls das Eindringen von Wasser in das Bett zu langsam erfolgt, werden trockene Regionen innerhalb des Betts aufgrund der Nachzerfallswarme sich soweit aufheizen, dass sie wieder schmelzen. Durch die hierbei erfolgende Kompaktierung ist in der Folge die Kuhlbarkeit in Frage gestellt. Im Kontext der Reaktorsicherheitsforschung muss deshalb die Frage nach einer moglichen Kuhlbarkeit hinsichtlich der konkurrierenden Prozesse des Flutens und des Wiederaufheizens untersucht werden. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung dieses Programms auf wesentliche Phasen des Unfallablaufs, um Chancen, Optionen und Masnahmen zur Kuhlbarkeit in Schuttbetten auszuloten. Daruber hinaus wurden innerhalb der Zielsetzung der Arbeit Schwachstellen in der Modellierung beseitigt und Verbesserungen und Erweiterungen bezuglich fehlender Modellteile implementiert. In fruheren Arbeiten wurde schon festgestellt, dass klassische Modelle zum Druckverlust in porosen Medien ohne die explizite Berucksichtigung der Reibung zwischen Wasser und Dampf (Interphasenreibung) nicht ausreichen. Tung und Dhir fuhrten einen Interphasenreibungsterm in ihrem Modell ein, allerdings wies dieses Modell ein Defizit bei kleineren, unter Reaktorbedingungen als relevant betrachteten Partikelgrosen auf. Deshalb werden in dieser Arbeit einige Anderungen des Tung & Dhir Modells fur kleinere Partikel vorgeschlagen. Mit der neuen Reibungsbeschreibung wurde eine bedeutende Verbesserung erzielt hinsichtlich des Ziels einer einheitlichen Reibungs-Modellierung bei von oben und unten gefluteten Schuttbetten. Rechnungen zu Reaktorbedingungen wurden durchgefuhrt um die Moglichkeiten des MEWA-Rechenprogramms als Werkzeug zur Untersuchung der Kuhlbarkeit wahrend verschiedener Phasen eines schweren Storfalls im Allgemeinen bewerten zu konnen und um zu sondieren, ob und bis zu welchem Grad von Kuhlbarkeit ausgegangen werden kann, wie stark der Trend zur Kuhlbarkeit ist und wo die Limitierungen liegen. Ein allgemeines Ergebnis dieser Variationsrechnungen ist die Existenz bedeutender Spielraume und starker Trends zur Kuhlbarkeit, die durch multidimensionale Kuhlungsoptionen erreicht werden konnen. Dazu zahlen speziell lateral und von unten zugefuhrtes Wasser, was im Kernbereich durch intakte Stab- oder Bypass-Regionen etabliert werden kann, im unteren Plenum durch die Wand und in der Reaktorgrube aufgrund der Form des Schuttbetts (Haufen). Diese Prozesse fordern die Kuhlbarkeit zusammen mit der Moglichkeit des Dampfes, Warme aus einer heisen und trockenen Zone abzufuhren und stellen auf diesem Wege Mechanismen zur Verbesserung und Unterstutzung des Abkuhlprozesses zur Verfugung. Begrenzungen der Kuhlbarkeit bestehen in der Anhaufung der Partikel uber eine bestimmte Hohe, in verbackenen Anteilen mit sehr niedrigen Porositaten und in Schuttbetten mit sehr kleinen Partikeln. Die anfangliche Temperaturverteilung innerhalb des Schuttbetts hat einen entscheidenden Einflus auf das Bettverhalten, egal ob sich das Bett im unteren Plenum oder in der mit Wasser gefullten Grube unter dem Reaktor befindet. Bisher wurden Rechnungen zum Fluten nur fur eine vorgegebene Schuttbettkonfiguration mit einer angenommenen, initialen Temperaturverteilung durchgefuhrt, die aus den mittleren Temperaturwerten der sich absetzenden Partikel abgeleitet wurde. Unter der Annahme einer einheitlichen initialen Temperaturverteilung im Bett werden jedoch die realen Prozesse des gleichzeitigen Absetzens der heisen Partikel auf der Schuttbettoberflache und des Abschreckens nicht berucksichtigt. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine einfache Kopplung zwischen MEWA und dem ebenfalls am IKE entwickelten Rechenprogramm JEMI zur Modellierung von Strahlfragmentations- und Vermischungsvorgangen erstellt, um Schuttungsaufbau und gleichzeitiges Abschrecken beschreiben zu konnen. Dadurch wurden die Moglichkeiten einer realistischen Analyse erheblich verbessert und es konnten in den Rechnungen deutliche Einflusse auf die Kuhlbarkeit der so gebildeten Betten aufgezeigt werden. Ein weiterer wichtiger Schritt fur die Gesamtmodellierung zur Kuhlbarkeit wurde durch die Einfuhrung einer Option unternommen, die Porositatsbildung in flussigen Schmelzeschichten durch die Einspeisung von Wasser von unten im MEWA-Modell zu beschreiben.