Modelling of hydrogen stratification and gas mixing in containment using the APROS code

Hydrogen stratification and atmosphere mixing is a very important phenomenon in nuclear reactor containments when severe accidents are studied and simulated. Hydrogen generation, distribution and accumulation in certain parts of containment may pose a great risk to pressure increase induced by hydrogen combustion, and thus, challenge the integrity of NPP containment. The accurate prediction of hydrogen distribution is important with respect to the safety design of a NPP. Modelling methods typically used for containment analyses include both lumped parameter and field codes. The lumped parameter method is universally used in the containment codes, because its versatility, flexibility and simplicity. The lumped parameter method allows fast, full-scale simulations, where different containment geometries with relevant engineering safety features can be modelled. Lumped parameter gas stratification and mixing modelling methods are presented and discussed in this master’s thesis. Experimental research is widely used in containment analyses. The HM-2 experiment related to hydrogen stratification and mixing conducted at the THAI facility in Germany is calculated with the APROS lump parameter containment package and the APROS 6-equation thermal hydraulic model. The main purpose was to study, whether the convection term included in the momentum conservation equation of the 6-equation modelling gives some remarkable advantages compared to the simplified lumped parameter approach. Finally, a simple containment test case (high steam release to a narrow steam generator room inside a large dry containment) was calculated with both APROS models. In this case, the aim was to determine the extreme containment conditions, where the effect of convection term was supposed to be possibly high. Calculation results showed that both the APROS containment and the 6-equation model could model the hydrogen stratification in the THAI test well, if the vertical nodalisation was dense enough. However, in more complicated cases, the numerical diffusion may distort the results. Calculation of light gas stratification could be probably improved by applying the second order discretisation scheme for the modelling of gas flows. If the gas flows are relatively high, the convection term of the momentum equation is necessary to model the pressure differences between the adjacent nodes reasonably.

Ydinvoimalaitosten vakavien onnettomuuksien tutkimuksen yksi tärkeä osa-alue on kaasujen kerrostuminen ja sekoittuminen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen eheyden varmistaminen on yksi tärkeimmistä turvallisuustoiminnoista vakavan onnettomuuden kannalta. Vakavan onnettomuuden aikana syntyy runsaasti vetyä ja lauhtumattomia kaasuja, joiden kertyminen suojarakennukseen voi aiheuttaa vetyräjähdyksen ja suojarakennuksen paineennousun kautta eheyden vaarantumisen. Suojarakennusmallinnuksessa käytettävät yleisimmät laskentamenetelmät ovat lumped parameter -menetelmät sekä kenttäohjelmistot. Useimmissa suojarakennusohjelmissa käytetään lumped parameter -menetelmää sen monipuolisuuden, joustavuuden ja helppokäyttöisyyden takia. Lumped parameter -menetelmä mahdollistaa nopeat täyden mittakaavan simulaatiot erilaisissa suojarakennusgeometrioissa. Tässä työssä keskitytään lumped paramter -menetelmään suojarakennuksen kaasutilan sekoittumisen ja kerrostumisen mallintamisen kannalta. Vedyn kerrostumisen ja sekoittumisen laskentaa vertailtiin laskemalla THAI koe HM-2 käyttäen APROS lumped parameter suojarakennusohjelmaa sekä APROS kuusiyhtälömallia. Tällä vertailulla haluttiin tutkia vaikuttaako kuusiyhtälömalliin ohjelmoitu liikemäärän välitystermi merkittävästi laskentatuloksiin verrattuna lumped parameter mallin yksinkertaisempaan laskentamalliin. Molemmat laskentamenetelmät laskivat kokeen hyvin kun noodistus on riittävä. Lisäksi molemmilla laskentamalleilla laskettiin yksinkertainen suojarakennuslasku, jossa suuri höyryvuoto purkautuu ahtaaseen tilaan, joka kuvaa suojarakennuksen höyrytilaa. Simulaatioiden perusteella voidaan päätellä että suurten virtausten tapauksissa liikemäärän välitystermin lisääminen laskentaan voisi olla hyödyllistä muodostuvien huoneiden välisten paine-erojen kannalta. Testi simulaatioiden perusteella numeerinen diffuusio voi vääristää laskentatuloksia monimutkaisissa tapauksissa. Laskenta mallia voisi kehittää lisäämällä toisen kertaluvun diskretoinnin kaasuvirtauksien laskentaan.