Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

The European Pressurized Water Reactor, EPR, is designed to cope with severe accidents, involving core meltdown and failure of the reactor pressure vessel. A specific melt spreading area has been designed within the containment where molten core will be passively collected, stabilised, and cooled. A core catcher made of cast iron elements will be installed in the spreading area. The core catcher will be flooded by cooling water which transfers the decay heat to the containment heat removal system. Most of the heat from the core melt will be transferred to the coolant on top of the melt. To improve cooling, horizontal cooling channels are located also below the core catcher. To verifythe function of the core catcher, a test facility has been built at Lappeenranta University of Technology, Finland. The Volley test facility consists of two full scale cooling channels made of cast iron. The heat from molten corium is simulated by a set of cartridge heaters. In this thesis computational simulations are described and compared with the results of the tests. Thesis concentrates on the theory and mechanism of the heat transfer from the core catcher to coolant and tries to find steady state conditions of several terminatedtests. Work included examination about various correlations of the heat transfer coefficient in the pool boiling conditions. Three different correlations were found, which could be used when only few measured parameters are available. The second part of the work consisted of Volley 04 test simulations. The simulation method was first validated by calculating such Volley 04 and 05 tests, which could be continued until thermal hydraulic steady state and in which the coolant level in the cooling channel was recorded with video cameras. The simulations gavefine results. The observation windows were broken due to water hammers in some tests conducted with high heating power. Because of this, part of the Volley tests were conducted having the windows replaced by metal plates. Some tests were terminated early due to high thermal stresses in the facility. Extrapolation of the terminated Volley 04 tests to the steady state was not simple. The tests were terminated in a quite early phase, when the facility and coolant temperatures were still increasing. Most of these were not video taped. For this reason coolant steady state temperature is not known accurately, and there is no visual observation about the water level in the cooling channel. Some assumptions could be done on the basis of the Volley 05 tests, which were done with same parameters and in which the tests had lasted long enough to reach steadystate conditions. In general it can be said that simulationresults of those Volley tests 04 and 05, which had been video recorded and could be run until steady state conditions, are very close to the measured temperatures. Extrapolation of the terminated tests without the help of visual observations was not very successful. Only the magnitude of temperatures in the measuring points can be deduced from the results. However, the temperatures are evidently well below the cast iron melting point. It can be concluded, that if there is even a small water flow inside the cooling channels or only a few adjacent coolingchannels are totally dry the core catcher can not melt with heat fluxes used inthe tests.