Three-dimensional modeling and simulation of vapor explosions in Light Water Reactors

Abstract

Steam explosions can occur during a severe accident in light water nuclear reactors with the core melting as the consequence of interaction of molten core materials with water inside the reactor pressure vessel (in-vessel steam explosions), or after a failure of the reactor vessel due to the release of molten materials into the reactor cavity likely filled with water (ex-vessel steam explosions). Such steam explosions may significantly increase risks of severe accidents threatening the integrity of the reactor pressure vessel, of the primary containment and possibly even of the reactor building. The loss of integrity of the primary containment and reactor building would cause a release of large amounts of fission products into the atmosphere and a contamination over a large area. Eliminating the risk of steam explosions in reactor accident scenarios would contribute to enhancing the effectiveness of accident management procedures, e.g. concept for the external cooling of the reactor vessel or the cooling of the molten core in the flooded reactor cavity. The main parameters influencing the outcome of a strong steam explosion are a limitation of the fragmented melt mass mixing with water, the melt jet fragmentation, the void buildup during premixing, the solidification at the surface of melt drops during the premixing and pressure escalations during detonation. Asymmetries caused by geometrical constraints (e.g. wall proximity, distributed melt pouring) are likely during an accident with core melting and can have a strong impact on the explosion strength. Previously, asymmetric configurations have been investigated with two-dimensional models using 2D approximations. Until now, open questions concerning the fragmentation of the melt, the mixing phase with water, the extent of the mixing region and pressure increases under asymmetric conditions remained due to the uncertainties existing with the approximated approach. This led to unsatisfactory answers as to the role of geometrical restrictions. In order to give a more adequate solution to the problem and be able to predict the explosion strength in a conservative manner, the two-dimensional premixing and explosion codes IKEJET/IKEMIX and IDEMO were extended to 3D in the present work. Additional modeling improvements have been made with regard to applicability to real reactor conditions. The enhancements focus in particular on the breakup of thick melt jets in deep water pools and on the solidification of melt fragments during the mixing phase with water. Asymmetries and their impact on the formation of explosive mixtures were investigated using the extended program codes. Variations to the melt delivery, pool depth and melt pouring configuration are considered. The melt fragmentation, void production, extent of the mixing zone due to geometrical constraints and the loads on adjoining structures are discussed in detail. The focus is on the assessment of three-dimensional effects in the mixing and detonation phases. In this regard, two- and three-dimensional calculations were performed for each configuration. An investigation of the influence of the 3D geometry, i.e. geometrical restrictions on mixing, extent and distribution of melt and coolant, is discussed. Pressure loads and impulses on adjoining structures are obtained and the results are critically discussed. The calculations performed show the capability of the codes to correctly represent the main aspects of premixing and explosion stages of steam explosion in non-symmetrical scenarios and to adequately predict the pressure loads on the adjoining structures.

Effektive Kühlmassnahmen zur Milderung der Folgen schwerer Störfälle mit Kernschmelze in Leichtwasserreaktoren erfordern den Einsatz von Wasser auch noch in späten Phasen des Unfallablaufs. Hierbei kann es zum Kontakt von Kernschmelze und Wasser kommen. Hier ergibt sich potentiell ein erhöhtes Risiko von Dampfexplosionen. Diese können den Unfallablauf durch Gefährdung der benachbarten Strukturen erheblich verschärfen und zum Integritätsverlust des Reaktordruckbehälters oder des Primärcontainments führen. Es käme zu einer erheblichen Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung und zu einer unmittelbaren Gefährdung der Menschen. Ein Ausschluss kritischer Wirkungen von Dampfexplosionen würde generell eine günstigere Beurteilung von Kühlungsmöglichkeiten mit Wasser erlauben uns so zusätzlich Optionen für Massnahmen des Accident-Managment eröffnen, wie z.B. das Konzept der Aussenkühlung des Reaktordruckbehälters oder das Konzept der Kühlung von ausgetretener Schmelze in einem Wasser-Pool in der Reaktorgrube. Das Hauptziel der Arbeit ist es, den Effekt von Asymmetrien auf zentrale Aspekte (wie z.B. die Fragmentierung von Schmelzestrahlen, Voidbildung, Erstarrung der Schmelzetropfen in der Vorvermischung sowie Druckeskalationen in der Explosionsphase) in Reaktoranwendungen zu untersuchen. Hierfür wurden im Rahmen der Dissertation die bestehenden zweidimensionalen Programmcodes zur Vorvermischung und Detonation auf 3D erweitert. Zusätzlich wurden die Modelle hinsichtlich der Anwendbarkeit auf Reaktorszenarien weiterentwickelt. Zwei wichtige Punkte sind hierbei die Fragmentierung von Schmelzestrahlen und die Erstarrung von Schmelzetropfen. Die Fragmentierung bestimmt die Grösse des Schmelzetropfens und beeinflusst somit die Voidbildung und die Entwicklung der relativen Krustedicken an den Schmelzetropfen in der Vorvermischung. Der Erstarrungsprozess ist ein wichtiger Aspekt für die Feinfragmentierbarkeit einzelner Tropfen und für die Explosivität der ganzen Mischung. Geometrisch bedingte Asymmetrien können die Explosivität der Mischung und die resultierende Explosionsstärke durch eine räumliche Verformung und Verzerrung des Mischungsbereiches erheblich beeinflussen. Die Distanz von dem „Epizentrum“ der Druckeskalationen zu den Strukturen spielt eine grosse Rolle und ist bei der Bestimmung der während des Detonationsvorganges resultierenden Belastungen durch eine Dampfexplosion entscheidend. Die im Rahmen der Dissertation erweiterten Programmcodes JEMI und IDEMO-3D stellen ein anwendbares Werkzeug zur Analyse der Mischungsvorgänge von Schmelze und Wasser sowie der Detonationsprozessen in 3D dar. Damit wurden asymmetrische Reaktorszenarien untersucht, für welche der Schmelzeeintrag, die Wasserhöhe und die Ausfliesskonfiguration variiert wurden. Der Einfluss von Asymmetrien auf die Bildung explosiver Konfigurationen wurde in Bezug auf die Strahlfragmentierung, die Voidbildung und die seitliche Ausdehnung des Mischungsgebietes kritisch diskutiert. Gekoppelte Berechnungen zu Reaktorszenarien und Prädiktion von Strukturbelastungen bei Dampfexplosionen sind mit den hier entwickelten Programmcodes möglich.