Modelling and Simulation of Reactor Pressure Vessel Failure during Severe Accidents

Tid: Fr 2020-06-12 kl 09.30

Plats: Via Zoom: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_TwfxbuXLT9iekTlDv4ZUWg, Du som saknar dator/datorvana kan kontakta weimin@kth.se för information., Stockholm (English)

Respondent: Peng Yu , Kärnkraftssäkerhet

Opponent: Dr. Florian Fichot, Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), Cedex Frankrike

Handledare: Weimin Ma, Kärnkraftssäkerhet; Walter Villanueva, Kärnkraftssäkerhet; Sevostian Bechta, Kärnkraftssäkerhet

Abstract

Syftet med denna avhandling är att utveckla nya metoder och nya modeller för att kunna koppla ihop termohydrauliska förlopp och uppkommen strukturrespons i botten på reaktortanken för förbättrad analys av reaktortankbrott under ett svårt haveri. Avhandlingen består av fem delar: (i) utveckling av en trestegsmodell för krypning i reaktortankens 16MND5-stål, (ii) utveckling av metoder för kopp ling av termohydrauliska förlopp och strukturrespons för studier av reaktortankbrott, (iii) jämförelse av prestanda av den nya metoden, som använder volume loads mapping (VLM) för dataöverföring, med den tidigare metoden, som använder surface loads mapping (SLM), (iv) utveckling av en lumped-parameter beräkningskod för snabb uppskattning av transient värmeöverföring i en smältpöl i botten på reaktortanken, och (v) utveckling av en hybrid kopplingsmetod för effektiv analys av reaktortankbrott.En krypmodell, kallad ‘modified theta projection model’, som behandlar krypprocessen i tre steg, utvecklades för 16MND5-stålet. Krypkurvor i den nya krypmodellen ges som en funktion av tid med fem parametrar 𝜃𝑖 (i=14 och m). Ett dataset för modellparametrar togs fram baserat på tillgängliga experimentalla krypkurvor, under anatagande om att kryptöjning är en monoton funktion av temperatur och spänning. Nya krypkurvor kan genereras genom att interpolera modellparametrar från detta dataset, i kontrast till den tidigare metoden som använder en speciell anpassningsprocess. Fördelen med det nya tillvägagångssättet är att den hanterar alla experimentella krypkurvor för ett brett spektrum av temperatur- och spänningsbelastningar. Modellen implementerades i ANSYS-koden och den korrekt behandlar alla tre krypsteg samt visar bra överenstämmelse mellan experimentella och beräknade krypkurvor. För analys av tidsberoende dynamiska belastningar implementerades välkända modeller av tids- och deformationshärdning med rimliga resultat. Dessa egenskaper uppfyller kravet på en krypmodell för strukturmekaniska analyser.En metod utvecklades för koppling mellan termohydrauliska förlopp och strukturmekanisk respons genom att koppla ihop ANSYS Fluent, som analyserar fluiddynamiska aspekter av värmeöverföring i en smältpöl, med ANSYS Structural, som analyserar strukturmekanisk respons av reaktortanksväggen. Ett speciellt verktyg togs fram för att möjliggöra överföring av transienta belastningar från ANSYS Fluent till ANSYS Structural och för att minimera användarinsatsen. Både CFD med turbulensmodeller och den effektiva PECM-modellen kan användas för att analysera värmeöverföring i en smältpöl. För krypanalysen av reaktortanken har ‘modified theta projection model’ använts. Den framtagna kopplingsmetoden har fördelen att den inte bara fångar de transienta aspekterna av interaktionen mellan termohydraulik och strukturmekanik men också stödjer avancerade modeller av konvektion i en smältpöl och strukturrespons och därigenom bidrar till förbättrad precision och underlättar implementeringen av modeller. Kopplingsmetoden fungerar bra när den valideras mot FOREVER-EC2 experimentet, och den kan användas i komplexa geometrier, som till exempel i botten på reaktortanken i en kokvattenreaktor (BWR), med en skog av genomföringar (ledrör för styrstavar och instrumentering).Jämförande beräkningar visar att de två kopplingsmetoderna, VLM-baserad och SLM-baserad, presterar lika bra, när det gäller hur de predikterar resultat av FOREVER-EC2 experimentet och deras lämplighet för reaktoranalyser. Även om SLM-metoden predikterar att tankbrott i båda fallen inträffar lite tidigare så är skillnaden mellan metoderna försumbar i jämförelse med tiden till tankbrott (~104 s). VLM-metoden var bättre än SLM-metoden när det gäller beräkningseffektiviteten.Idén om hybridkoppling går ut på att använda en lumped-parameter kod för snabb uppskattning av termiska belastningar, som senare kan användas i detaljerad strukturmekanisk analys. En sådan kopplingsmetod kan på ett signifikant sätt öka effektiviteten av beräkningar vilket är viktig i reaktorapplikationer där mekanistisk simulering av konvektion i en smältpöl är beräkningsintensiv och onödig. I detta syfte utvecklades koden transIVR. Koden kan dels ge en snabb uppskattning av transient värmeöverföring i en smältpöl, som består av en eller två materialskikt, och dels lösa värmeledningsproblem i reaktortanksväggen med 2D finita differensmetoden vilket genererar detaljerad information om termiska förhållanden som behövs för strukturmekaniska analyser. För att demonstrera att transIVR kan analysera dels värmeöverföring i en smältpöl bestående av två materialskikt och dels transient värmeöverföring i en smältpöl jämfördes transIVR prediktioner med UCSB FIBS-benchmarkfallet respektive LIVE-7V-experimentet. I nästa steg kopplades transIVR-koden till ANSYS Structural för att möjliggöra mer detaljerad analys av reaktortankbrott. Validering mot FOREVER-EC2 experimentet tyder på att den utvecklade kopplingsmetodiken korrekt återger tankbrott orsakat av krypning.Nyckelord: reaktortankbrott, koppling termohydraulik-strukturmekanik, modellering av krypning, värmeöverföring i smältpöl, svåra haverier, CFD, FEA, transIVR.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-273366