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.

Large Break Blowdown Test Facility Study

Työn tarkoituksena on kerätä yhteen tiedot kaikista maailmalta löytyvistä ison LOCA:n ulospuhallusvaiheen tutkimiseen käytetyistä koelaitteistoista. Työn tarkoituksena on myös antaa pohjaa päätökselle, onko tarpeellista rakentaa uusi koelaitteisto nesterakenne-vuorovaikutuskoodien laskennan validoimista varten. Ennen varsinaisen koelaitteiston rakentamista olisi tarkoituksenmukaista myös rakentaa pienempi pilottikoelaitteisto, jolla voitaisiin testata käytettäviä mittausmenetelmiä. Sopivaa mittausdataa tarvitaan uusien CFD-koodien ja rakenneanalyysikoodien kytketyn laskennan validoimisessa. Näitä koodeja voidaan käyttää esimerkiksi arvioitaessa reaktorin sisäosien rakenteellista kestävyyttä ison LOCA:n ulospuhallusvaiheen aikana. Raportti keskittyy maailmalta löytyviin koelaitteistoihin, uuden koelaitteiston suunnitteluperusteisiin sekä aiheeseen liittyviin yleisiin asioihin. Raportti ei korvaa olemassa olevia validointimatriiseja, mutta sitä voi käyttää apuna etsittäessä validointitarkoituksiin sopivaa ison LOCA:n ulospuhallusvaiheen koelaitteistoa.

Numerical Investigation of Flow Past a Circular Cylinder and in a Staggered Tube Bundle Using Various Turbulence Models

Transitional flow past a three-dimensional circular cylinder is a widely studied phenomenon since this problem is of interest with respect to many technical applications. In the present work, the numerical simulation of flow past a circular cylinder, performed by using a commercial CFD code (ANSYS Fluent 12.1) with large eddy simulation (LES) and RANS (κ - ε and Shear-Stress Transport (SST) κ - ω! model) approaches. The turbulent flow for ReD = 1000 & 3900 is simulated to investigate the force coefficient, Strouhal number, flow separation angle, pressure distribution on cylinder and the complex three dimensional vortex shedding of the cylinder wake region. The numerical results extracted from these simulations have good agreement with the experimental data (Zdravkovich, 1997). Moreover, grid refinement and time-step influence have been examined. Numerical calculations of turbulent cross-flow in a staggered tube bundle continues to attract interest due to its importance in the engineering application as well as the fact that this complex flow represents a challenging problem for CFD. In the present work a time dependent simulation using κ – ε, κ - ω! and SST models are performed in two dimensional for a subcritical flow through a staggered tube bundle. The predicted turbulence statistics (mean and r.m.s velocities) have good agreement with the experimental data (S. Balabani, 1996). Turbulent quantities such as turbulent kinetic energy and dissipation rate are predicted using RANS models and compared with each other. The sensitivity of grid and time-step size have been analyzed. Model constants sensitivity study have been carried out by adopting κ – ε model. It has been observed that model constants are very sensitive to turbulence statistics and turbulent quantities.

Monte Carlo -reaktorifysiikkalaskennan ja laskennallisen virtausmekaniikan kytkentä kuulakekoreaktorissa

Monte Carlo -reaktorifysiikkakoodit nykyisin käytettävissä olevilla laskentatehoilla tarjoavat mielenkiintoisen tavan reaktorifysiikan ongelmien ratkaisuun. Neljännen sukupolven ydinreaktoreissa käytettävät uudet rakenteet ja materiaalit ovat haasteellisia nykyisiin reaktoreihin suunnitelluille laskentaohjelmille. Tässä työssä Monte Carlo -reaktorifysiikkakoodi ja CFD-koodi yhdistetään kytkettyyn laskentaan kuulakekoreaktorissa, joka on yksi korkealämpötilareaktorityyppi. Työssä käytetty lähestymistapa on uutta maailmankin mittapuussa ajateltuna.

Oxidation rates of carbon and nitrogen in char residues from solid fuels

Computational fluid dynamics (CFD) modeling is an important tool in designing new combustion systems. By using CFD modeling, entire combustion systems can be modeled and the emissions and the performance can be predicted. CFD modeling can also be used to develop new and better combustion systems from an economical and environmental point of view. In CFD modeling of solid fuel combustion, the combustible fuel is generally treated as single fuel particles. One of the limitations with the CFD modeling concerns the sub-models describing the combustion of single fuel particles. Available models in the scientific literature are in many cases not suitable as submodels for CFD modeling since they depend on a large number of input parameters and are computationally heavy. In this thesis CFD-applicable models are developed for the combustion of single fuel particles. The single particle models can be used to improve the combustion performance in various combustion devices or develop completely new technologies. The investigated fields are oxidation of carbon (C) and nitrogen (N) in char residues from solid fuels. Modeled char-C oxidation rates are compared to experimental oxidation rates for a large number of pulverized solid fuel chars under relevant combustion conditions. The experiments have been performed in an isothermal plug flow reactor operating at 1123-1673 K and 3-15 vol.% O2. In the single particle model, the char oxidation is based on apparent kinetics and depends on three fuel specific parameters: apparent pre-exponential factor, apparent activation energy, and apparent reaction order. The single particle model can be incorporated as a sub-model into a CFD code. The results show that the modeled char oxidation rates are in good agreement with experimental char oxidation rates up to around 70% of burnout. Moreover, the results show that the activation energy and the reaction order can be assumed to be constant for a large number of bituminous coal chars under conditions limited by the combined effects of chemical kinetics and pore diffusion. Based on this, a new model based on only one fuel specific parameter is developed (Paper III). The results also show that reaction orders of bituminous coal chars and anthracite chars differ under similar conditions (Paper I and Paper II); reaction orders of bituminous coal chars were found to be one, while reaction orders of anthracite chars were determined to be zero. This difference in reaction orders has not previously been observed in the literature and should be considered in future char oxidation models. One of the most frequently used comprehensive char oxidation models could not explain the difference in the reaction orders. In the thesis (Paper II), a modification to the model is suggested in order to explain the difference in reaction orders between anthracite chars and bituminous coal chars. Two single particle models are also developed for the NO formation and reduction during the oxidation of single biomass char particles. In the models the char-N is assumed to be oxidized to NO and the NO is partly reduced inside the particle. The first model (Paper IV) is based on the concentration gradients of NO inside and outside the particle and the second model is simplified to such an extent that it is based on apparent kinetics and can be incorporated as a sub-model into a CFD code (Paper V). Modeled NO release rates from both models were in good agreement with experimental measurements from a single particle reactor of quartz glass operating at 1173-1323 K and 3-19 vol.% O2. In the future, the models can be used to reduce NO emissions in new combustion systems.

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.

Virtauslaskennankäyttö keskipakopumpun eroosiokulumisen mallintamisessa

Diplomityössä kehitetään malli tiheän kaksifaasivirtauksen aiheuttaman eroosiokulumi-sen mallintamiseksi, ratkaistaan virtauskenttä kahdessa erilaisessa keskipakopumpussa, sovelletaan kehitettyä mallia, sekävertaillaan mallin antamia tuloksia käytännön kokeissa saavutettuihin tuloksiin. Työssä on erityisenä mielenkiinnon kohteena savukaasupesurin pumppu. Työn alkuosa sisältää tarkemman kuvauksen savukaasupesurin toi-minnasta. Numeerinen ratkaisu ja laskentahilan generointi suoritetaan ANSYS CFX- ja Turbo-Grid-ohjelmistoilla. Laskennassa virtauksen Navier-Stokesin yhtälöt on aikakeskiarvo-tettu ja ratkaistu käyttäen kontrollitilavuusmenetelmää. Tiheiden kaksifaasivirtausten eroosiokulumista on mallinnettu tekijän kehittämällä mallilla, jonka käytännön toteutus-ta ei kuitenkaan saateta julkiseksi, koodin kehittämisessä käytetty teoria on kuitenkin esitetty työssä. Työn piirissä tehtiin myös kulumiskokeita Sulzer Pumps Finlandin Karhulan tehtailla, sekä vertailtiin simuloinnin tuloksia aikaisemmissa kokeissa saavutettuihin. Koejärjestelyt kuvataan työssä.

Implementation of population balances in simulation of gas-liquid reactors using a CFD-PBM coupled approach

In bubbly flow simulations, bubble size distribution is an important factor in determination of hydrodynamics. Beside hydrodynamics, it is crucial in the prediction of interfacial area available for mass transfer and in the prediction of reaction rate in gas-liquid reactors such as bubble columns. Solution of population balance equations is a method which can help to model the size distribution by considering continuous bubble coalescence and breakage. Therefore, in Computational Fluid Dynamic simulations it is necessary to couple CFD and Population Balance Model (CFD-PBM) to get reliable distribution. In the current work a CFD-PBM coupled model is implemented as FORTRAN subroutines in ANSYS CFX 10 and it has been tested for bubbly flow. This model uses the idea of Multi Phase Multi Size Group approach which was previously presented by Sha et al. (2006) [18]. The current CFD-PBM coupled method considers inhomogeneous flow field for different bubble size groups in the Eulerian multi-dispersed phase systems. Considering different velocity field for bubbles can give the advantageof more accurate solution of hydrodynamics. It is also an improved method for prediction of bubble size distribution in multiphase flow compared to available commercial packages.

Automating The User Interface Implementation Process by Code Generation

3G-radioverkon asetusten hallinnointi suoritetaan säätämällä radioverkkotietokantaan talletettavia parametreja. Hallinnointiohjelmistossa tuhannetradioverkon parametrit näkyvät käyttöliittymäkomponentteina, joita ohjelmiston kehityskaaressa jatkuvasti lisätään, muutetaan ja poistetaan asiakkaan tarpeidenmukaan. Parametrien lisäämisen toteutusprosessi on ohjelmistokehittäjälle työlästä ja mekaanista. Diplomityön tavoitteeksi asetettiin kehittää koodigeneraattori, joka luo kaiken toteutusprosessissa tuotetun koodin automaattisesti niistä määrittelyistä, jotka ovat nykyäänkin saatavilla. Työssä kehitetty generaattori nopeuttaa ohjelmoijan työtä eliminoimalla yhden aikaa vievän ja mekaanisen työvaiheen. Seurauksena saadaan yhtenäisempää ohjelmistokoodia ja säästetään yrityksen ohjelmistotuotannon kuluissa, kun ohjelmoijan taito voidaan keskittää vaativimpiin tehtäviin.

APROS code benchmarking inboiling water reactor accident analyses

Diplomityö käsittelee kiehutusvesilaitosten transienttien ja onnettomuuksien analysointia APROS-ohjelmiston avulla. Työ on tehty Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden mallin pohjalta. Raportissa esitetään ohjelmiston käyttämiä yhtälöitäja laskentamalleja yleisellä tasolla. Työssä esitellään laitoksen yleispiirteet turvallisuustoimintoineen ja kuvataan ohjelmaan suureksi osaksi aiemmin luotua laskentamallia. Työssä on luetteloitu voimassa olevatlisensiointianalyysit, joiden joukosta on valittu laskentatapauksia ohjelmiston suorituskyvyn arviointia varten. Lisäksi työhön on valittu laskentatapauksia muilla kuin lisensointiin käytetyillä ohjelmilla lasketuista analyyseistä. Lisäksi on suoritettu vertailulaskuja konservatiivisen ja realistisen mallin erojen esille saamiseksi. Laskentatapauksia ovat mm. ylipainetransientti, jäähdytteen menetysonnettomuus ja oletettavissa oleva käyttöhäiriö, jossa pikasulku ei toimi (ATWS). Diplomityön edetessä laitosmallia on kehitetty edelleen lisäämällä joitakin järjestelmiä ja tarkentamalla joidenkin komponenttien kuvausta. Työssä ilmeni, että APROS soveltuu jäähdytteenmenetysonnettomuuden ja suojarakennuksen yhtäaikaiseen analyysiin. APROS.n vaste nopeisiin transientteihin jäi kuitenkin vertailutasosta. Tämän työn perusteella APROS-mallia kehitys jatkuu edelleen siten, että se soveltuisi entistä paremmin myös nopeiden transienttien ja ATWS-tilanteiden kuvaamiseen. Työssä olevaa lisensointianalyysien kuvausta tullaan käyttämään hyväksi selvitettäessä laitoksen turvallisuuden väliarviossa tarvittavien analyysien määrää ja laatua. Nyt saatuja kokemuksia voidaan hyödyntää myös mahdollisen kolmiulotteisen sydänmallin hankinnassa APROS-ohjelmistoon. Tässä diplomityössä esitettyjä parannuksia voidaan käyttää hyväksi SAFIRtutkimusohjelman hankkeiden suunnittelussa.

Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Code Generator for Key Management Protocols - Design and Implementation

Key management has a fundamental role in secure communications. Designing and testing of key management protocols is tricky. These protocols must work flawlessly despite of any abuse. The main objective of this work was to design and implement a tool that helps to specify the protocol and makes it possible to test the protocol while it is still under development. This tool generates compile-ready java code from a key management protocol model. A modelling method for these protocols, which uses Unified Modeling Language (UML) was also developed. The protocol is modelled, exported as an XMI and read by the code generator tool. The code generator generates java code that is immediately executable with a test software after compilation.

CFD study of penetration and mixing of fuel in a circulating fluidized bed furnace

The aim of this thesis is to study the mixing of fuel and, also to some extent, the mixing of air in a circulating fluidized bed boiler. In the literature survey part of this thesis, a review is made of the previous experimental studies related to the fuel and air mixing in the circulating fluidized beds. In the simulation part of it the commercial computational fluid dynamics software (FLUENT) is used with the Eulerian multiphase model for studying the fuel mixing in the two and three-dimensional furnace geometries. The results of the three-dimensional simulations are promising and, therefore suggestions are made for the future simulations. The two-dimensional studies give new information of the effects of the fluidization velocity, fuel particle size and fuel density on the fuel mixing. However, the present results show that three-dimensional models produce more realistic representation of the circulating fluidized bed behavior.

Transforming Maritime Safety Culture. Evaluation of the impacts of the ISM Code on maritime safety culture in Finland

The purpose of the METKU Project (Development of Maritime Safety Culture) is to study how the ISM Code has influenced the safety culture in the maritime industry. This literature review is written as a part of the Work Package 2 which is conducted by the University of Turku, Centre for Maritime Studies. The maritime traffic is rapidly growing in the Baltic Sea which leads to a growing risk of maritime accidents. Particularly in the Gulf of Finland, the high volume of traffic causes a high risk of maritime accidents. The growing risks give us good reasons for implementing the research project concerning maritime safety and the effectiveness of the safety measures, such as the safety management systems. In order to reduce maritime safety risks, the safety management systems should be further developed. The METKU Project has been launched to examine the improvements which can be done to the safety management systems. Human errors are considered as the most important reason for maritime accidents. The international safety management code (the ISM Code) has been established to cut down the occurrence of human errors by creating a safety-oriented organizational culture for the maritime industry. The ISM Code requires that a company should provide safe practices in ship operation and a safe working environment and establish safeguards against all identified risk. The fundamental idea of the ISM Code is that companies should continuously improve safety. The commitment of the top management is essential for implementing a safety-oriented culture in a company. The ISM Code has brought a significant contribution to the progress of maritime safety in recent years. Shipping companies and ships’ crews are more environmentally friendly and more safety-oriented than 12 years ago. This has been showed by several studies which have been analysed for this literature research. Nevertheless, the direct effect and influence of the ISM Code on maritime safety could not be isolated very well. No quantitative measurement (statistics/hard data) could be found in order to present the impacts of the ISM Code on maritime safety. In this study it has been discovered that safety culture has emerged and it is developing in the maritime industry. Even though the roots of the safety culture have been established there are still serious barriers to the breakthrough of the safety management. These barriers could be envisaged as cultural factors preventing the safety process. Even though the ISM Code has been effective over a decade, the old-established behaviour which is based on the old day’s maritime culture still occurs. In the next phase of this research project, these cultural factors shall be analysed in regard to the present safety culture of the maritime industry in Finland.