Development and validation of models for simulation of supercritical carbon dioxide Brayton cycles and application to self-propelling heat removal systems in boiling water reactors

Abstract

The objective of the current work was to develop a model that is able to describe the transient behavior of supercritical carbon dioxide (sCO2) Brayton cycles, to be applied to self-propelling residual heat removal systems in boiling water reactors. The developed model has been implemented into the thermohydraulic system code ATHLET. By means of this improved ATHLET version, novel residual heat removal systems, which are based on closed sCO2 Brayton cycles, can be assessed as a retrofit measure for present light water reactors. Transient simulations are hereby of great importance. The heat removal system has to be modeled explicitly to account for the interaction between the system and the behavior of the plant during different accident conditions. As a first step, transport and thermodynamic fluid properties of supercritical carbon dioxide have been implemented in ATHLET to allow for the simulation of the new working fluid. Additionally, a heat transfer correlation has been selected to represent the specific heat transfer of supercritical carbon dioxide. For the calculation of pressure losses due to wall friction, an approach for turbulent single phase flow has been adopted that is already implemented in ATHLET. In a second step, a component model for radial compressors has been implemented in the system code. Furthermore, the available model for axial turbines has been adapted to simulate the transient behavior of radial turbines. All extensions have been validated against experimental data. In order to simulate the interaction between the self-propelling heat removal system and a generic boiling water reactor, the components of the sCO2 Brayton cycle have been dimensioned with first principles. An available input deck of a generic BWR has then been extended by the residual heat removal system. The modeled application has shown that the extended version of ATHLET is suitable to simulate sCO2 Brayton cycles and to evaluate the introduced heat removal system. A first analysis of the system revealed the ability to remove the decay heat over more than 72 hours, even for combined station blackout and loss of ultimate heat sink scenarios. In addition, the simulations exposed an interaction between the retrofitted and already existing systems. Parameters, which influence the operation of the self-propelling heat removal system, have been identified and summarized in set of prerequisites. The simulations indicate the potential of the system to serve as a diverse heat removal system for existing boiling water reactors.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Modells zur Simulation von Joule-Kreisläufen mit dem Arbeitsmedium überkritisches Kohlenstoffdioxid (sCO2), für die Anwendung in Siedewasserreaktoren. Dieses Modell wurde in das Systemrechenprogramm ATHLET integriert. Mit dieser modifizierten Version können neuartige Nachwärmeabfuhrsysteme, die auf einem geschlossenen Joule-Kreisprozess aufbauen und eine potentielle Nachrüstmaßnahme für bestehende Leichtwasserreaktoren darstellen, modelliert und thermohydraulisch untersucht werden. Besonders wichtig sind hierbei Erkenntnisse über das instationäre Verhalten des Nachwärmeabfuhrsystems und dessen Reaktion auf die sich im Laufe eines Störfallszenarios verändernden Randbedingungen. Zur Simulation des neuen Arbeitsmediums wurden zunächst die Stoffdaten von überkritischem Kohlenstoffdioxid in den Systemcode eingebaut. Des Weiteren wurde eine Korrelation zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten ausgewählt, mit der sich das Aufheizen und Abkühlen von sCO2 berechnen lässt. Druckverluste durch Wandreibung werden mit einem bereits in ATHLET vorhandenen Ansatz für einphasige, turbulente Rohrströmungen bestimmt. Zusätzlich wurde ein Komponentenmodel zur Darstellung radialer Kompressoren implementiert, sowie das in ATHLET vorhandene Modell für axiale Turbinen für die Simulation von Radialturbinen angepasst. Alle durchgeführten Erweiterungen wurden anhand experimenteller Daten validiert. Das neuartige System wurde exemplarisch als potentielle Nachrüstmaßnahme für einen generischen Siedewasserreaktor untersucht, wofür zunächst eine erste Dimensionierung der Hauptkomponenten erfolgte. Der Datensatz eines generischen Siedewasserreaktors wurde anschließend mit dem Nachwärmeabfuhrsystem erweitert und erste Simulationen wurden durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das System die Nachzerfallswärme auch in bestimmten auslegungsüberschreitenden Störfällen wie dem Verlust der Hauptwärmesenke bei gleichzeitigem Station Blackout, für mehr als 72 Stunden abführen kann. Die Auswertung hat weiter ergeben, dass es zu Interaktionen mit bereits existierenden Systemen kommt. Parameter, die den Betrieb des Nachwärmeabfuhrsystems beeinflussen, wurden herausgearbeitet und in einem Anforderungsprofil zusammengefasst. Die Simulationen deuten auf das Potential des Systems hin, in bestehenden Siedewasserreaktoren als diversitäres Nachwärmeabfuhrsystem zu fungieren.