Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

A nuclear power plant designfollows the principles that ensure the capability of the installation to undergo a large range of situations with strictly limited radiological consequences. Accidents whose consequence is reactor core damage have a very low probability ofoccurrence in a nuclear power plant. During a core damage accident reactions between steam and core materials may produce hydrogen. Eventually the hydrogen could be released into the air-filled reactor building where it may burn or even detonate in the presence of oxygen, if ignite. Temperature and pressure loads produced by hydrogen combustion may threaten the integrity of the containment or the safety-related systems. Accordingly an effective and reliable hydrogenmitigation system is demanded. In light water reactors (LWR) passive autocatalytic recombiners (PAR) are used for hydrogen removal in an increasing number of European plants. PARs make use of the fact that hydrogen and oxygen react exothermally on catalytic surfaces generating steam and heat. PARS are passivedevices as they are self-starting and self-feeding, they come into action spontaneously and they require neither external energy nor operator action. The recombiner behavior is studied in order to evaluate precisely the re-combination rate in any accidental conditions, to optimize the recombiner design, and to determine the optimal number and location of the recombiners inside the containment. Lumped parameter codes, three-dimensional codes and combinationof both are used in containment studies and they include empirical, theoreticalor global recombiner approach. This thesis contains the results of hydrogen consumption verification of Siemens FR90/1-150 recombiner model implemented in TONUS OD code and results of interaction study between several Siemens recombiners made with the TONUS OD code. TONUS is a lumped parameter (denoted OD) and CFD hydrogen risk analysis code developed by CEA (Commissariat à 1'Energie Atomique). TONUS is used to model the distribution, deflagration and possible detonation of hydrogen. TONUS is also used to model hydrogen mitigation with passive autocatalytic recombiners. The effects to the hydrogen consumptionare separeted and studied one by one. For studying interaction between recombiners, computations with different recombiner size and different number of recombiners in the same volume are performed. The Siemens recombiner model in TONUS OD code calculates the hydrogen consumption as expected and the studies show that physical results given by TONUS OD code are reliable. Local effects, which may appear in the considered volume, cannot be studied with a lumped parameter approach as results are mean fields values, so for performing such studies the multidimensional approach needs to be used.