Lämpötilakerrostumien syntyminen ydinvoimalaitoksen ensiöpiirissä luonnonkierron olosuhteissa

Tässä diplomityössä on tutkittu lämpötilakerrostumien syntymistä RENATA-koelaitteistolla, joka muistutti geometrialtaan painevesireaktorin paineastian ylätilaa. Kokeet tehtiin siten, että aluksi RENATA täytettiin lämpimällä vedellä, jonka jälkeen koelaitteistoon juoksutettiin pohjasta käsin kylmää vettä. Kokeiden tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyyn korrelaatioon. Koetilanne mallinnettiin myös Fluent-virtauslaskentaohjelmalla, jolloin saatiin tietoa ohjelman kyvystä käsitellä lämpötilakerrostumia. Kokeiden tuloksissa havaittiin olevan selvää yhteyttä korrelaatioon. Korrelaation kriittistä rajaa suuremmilla arvoilla kylmä vesi kerrostui lämpimän veden alapuolelle. Lämpimän ja kylmän veden väliin muodostui muutaman senttimetrin paksuinen rajakerros, lämpötilakerrostuma, jossa lämpötilan muutos oli suurimmillaan parinkymmenen asteen luokkaa. Tämä lämpötilakerrostuma nousi hitaasti ylöspäin kokeen edetessä. Vastaavasti korrelaation kriittistä rajaa pienemmillä arvoilla lämmin ja kylmä vesi sekoittuivat keskenään. Myös Fluentilla lasketuissa simuloinneissa kylmä vesi kerrostui lämpimän veden alapuolelle. Lämpötilakerrostuma ei kuitenkaan noussut ylöspäin niin kuin kokeessa tapahtui, vaan se seisahtui koelaitteiston yläosaan.

In this Master's Thesis has been examined the origin of the temperature stratification with RENATA-facility, which resembled the geometry of the upper plenum of the PWR reactor vessel. The tests were carried out so that at first RENATA was filled with warm water and after that cold water started to flow to the test facility from bottom. The results of the tests were compared with the correlation examined in the literature. The test situation was also modelled with the Fluent CFD-code to get information how the code could process the temperature stratification. The results of the tests showed obvious connection with the correlation. When the numerical values were greater than the critical value of the correlation cold water stratified below warm water. Between warm and cold water formed few centimetres thick stratification layer, where temperature changed even twenty degrees. Stratification layer moved slowly upwards when the test proceeded. Correspondingly, warm and cold water mixed, when the numerical values were smaller than the critical value of the correlation. In the simulations with Fluent CFD-code cold water stratified below warm water, too. Stratification layer didn't move upwards as happened in the test situation. Instead of that, stratification layer stagnated in the upper part of the test facility.