Development of an AP1000 3D full containment model using an innovative approach

Estévez-Albuja, Samanta (2020). Development of an AP1000 3D full containment model using an innovative approach. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65028.

Description

Title: Development of an AP1000 3D full containment model using an innovative approach
Author/s:
  • Estévez-Albuja, Samanta
Contributor/s:
  • Jiménez Varas, Gonzalo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

In order to make the reactor accident management independent from alternating current supply, Generation III+ reactors utilize passive mechanisms for their safety systems. A prominent type is the Westinghouse AP1000® reactor which Passive Containment Cooling System (PCS) uses the atmosphere as the ultimate heat sink for evacuating thermal energy from the containment. Additionally, the AP1000 design includes an In-containment Refueling Water Storage Tank (IRWST) that acts as a heat sink of the Passive Reactor Hear Removal Heat Exchanger (PRHR-HX) and as the water source for the long-term cooling phase. The performance of these systems is not only dependent on the thermo-hydraulic state of the Reactor Coolant System (RCS), but also the containment. Under certain circumstances the core cooling, by means of the PRHR, would be determined by the heat transfer between the PRHR HX and the IRWST, being the IRWST thermo-hydraulic state dependent on the containment thermo-hydraulic state. The accurate simulation of this phenomenology is complex and demands 3D models that integrate all the AP1000 containment safety systems and spaces, which has not been the case in the state of the art. Therefore, the goal of this thesis is the development of a detailed AP1000 3D full containment model that encompass the PCS and IRWST-PRHR detailed systems for its subsequent use on design basis accidents and severe accidents. In a first step, the IRWST-PRHR model development is described. The best modeling strategy is obtained after modeling a down-scaled experiment. With the obtained insights, a full-scaled IRWST model is generated. The proper simulation of thermal stratification, which is a safety-relevant phenomenon for the containment integrity, is proven and its influence on containment pressure is evaluated. This model is used to study the ADS steam injection during an SBLOCA accident. The importance of a proper nodalization is presented. Then, the PCS is modeled in GOTHIC taking the conservative hypothesis that no water is available from the Passive Containment Cooling Water Storage Tank (PCCWST). Due to its design characteristics different assumptions and simplifications were applied in this model. The model performance is tested against a steady state case and it was found that the modeling of natural convection of such complex geometry is not trivial. The modeling parameters should be studied carefully. In a third step, the AP1000 containment (SCV) is also modeled in 3D. A methodology for its construction in GOTHIC is described: a detailed CAD model is constructed, then it is simplified into simple geometry forms and finally it is implemented in the GOTHIC code. The several modeling assumptions for the correct compartmentalization are discussed and presented. Finally, the full containment model, containing all the previous developed models, is used for simulating two application cases: LBLOCA and SBLOCA. For each accident, different AP1000 approaches are used. In the case of the LBLOCA, only the SVC and the PCS are used as the IRWST does not play a significant role. In the case of the SBLOCA, the IRWST detailed model is implemented as the stratification of the pool may be relevant in the transient evolution. The results obtained from the application cases show that the AP1000 containment GOTHIC model could be used for simulating these kinds of accidents giving enough resolution to see the evolution of the different containment compartments. For that purpose it was needed to develop different isolated models of the IRWST, SCV or PCS in detail, in order to understand and simulate all the complex phenomena that may occur. The computational competitiveness of the model, together with its accuracy allowed to understand phenomena that have not be seen in any other AP1000 models. ----------RESUMEN---------- Para hacer que la gestión de los accidentes se independiente del suministro de corriente alterna los reactores nucleares de Generación III+ utilizan mecanismos pasivos en sus sistemas de seguridad. Específicamente, el concepto de seguridad del reactor AP1000 se basa en el uso de estos sistemas. Entre estos se encuentra el PCS (Sistema de Refrigeración Pasiva de la contención), que usa la atmósfera exterior como sumidero último de calor de la contención. Además, entre otros sistemas, se encuentra el IRWST (tanque de agua de recarga en el interior de la contención) que funciona como sumidero de calor del intercambiador de calor PRHR HX, además de servir como fuente de agua para la refrigeración a largo plazo. El funcionamiento de estos sistemas es dependiente no sólo de su propio estado termo-hidráulico, sino además del estado termo-hidráulico de la contención. Bajo ciertas condiciones la refrigeración del núcleo, que se realizaría mediante el intercambiador de calor PRHR, va a depender de la transferencia de calor desde el PRHR hacia el IRWST; cuyo estado termo-hidráulico depende a su vez del estado termo-hidráulico de la contención. La simulación de este tipo de fenomenología es compleja y su correcto modelado exige el uso de herramientas 3D que integren los sistemas de seguridad de la contención además de sus diferentes partes, hecho que, por el momento, no se ha visto reflejado en el actual estado del arte. El objetivo principal de esta tesis es la creación de un modelo en 3D de la contención del reactor AP1000 con el código GOTHIC, modelando el PCS e IRWST-PRHR de forma detallada para la simulación de accidentes base de diseño y accidentes severos. En primer lugar, se describe la creación del modelo IRWST-PRHR. Su desarrollo se ha realizado a partir de la simulación con GOTHIC de un experimento a escala, a partir del cual se obtienen las mejores estrategias de simulación y se aplican a un modelo a escala real del IRWST. Después, se comprueba que es posible simular estratificación térmica en el tanque y su influencia en la presión de la contención. Finalmente, se implementa la inyección de vapor del ADS en el tanque destacando la relevancia de las hipótesis de modelado para representar correctamente su funcionamiento. Seguidamente, el PCS es modelado en GOTHIC teniendo como la hipótesis conservadora que el agua del tanque de recarga de agua del sistema pasivo de refrigeración de la contención (PCCWST) no está disponible. Además, debido al diseño inherente del PCS distintas hipótesis y simplificaciones se han tenido que aplicar al modelo 3D. Finalmente, el funcionamiento del modelo creado es analizado ante condiciones estacionarias, pudiéndose comprobar que el modelado de la convección natural no es trivial, siendo necesario prestar especial atención a los parámetros que se usan para el modelado del PCS. Más adelante, la metodología usada para la construcción de la contención tridimensional del AP1000 (SCV) se presenta: la contención del AP1000 se construye de manera detallada en AutoCAD obteniendo un CAD de alto detalle. Este CAD es simplificado, pasando todas las partes que lo componen a geometrías simplificadas que sean aceptadas por GOTHIC. Finalmente, las coordenadas de estas geometrías se extraen y son implementadas en GOTHIC. Las diferentes hipótesis de simulación para la correcta compartimentalización de la contención en GOTHIC son descritas detalladamente. Finalmente, el modelo de contención completa que incluye todos los modelos aislados creados previamente se usa para la ejecución de los casos de aplicación elegidos: un LBLOCA y un SBLOCA. Dependiendo del tipo de accidente las aproximaciones de modelización son distintas. En el caso del LBLOCA únicamente el PCS y el SCV se utilizan, ya que el IRWST no tiene ningún papel relevante durante este transitorio. En el caso del SBLOCA el modelo detallado del IRWST se incluye en la simulación, ya que la estratificación del tanque puede jugar un papel esencial en la evolución del transitorio. Los resultados obtenidos de los casos de aplicación demuestran que el modelo de contención 3D de AP1000 creado en GOTHIC puede ser útil para la simulación de este tipo de accidentes, dando la suficiente resolución para poder observar el estado termo-hidráulico de los distintos compartimentos que forman parte de la contención. Para obtener este nivel de precisión y poder entender la compleja fenomenología que acontece en la contención del AP1000 se ha visto que es necesario el modelado en detalle del IRWST, SCV y PCS. La competitividad computacional del modelo creado junto con su precisión ha permitido entender cierta fenomenología dentro de la contención que no había sido vista antes en otros modelos de AP1000.

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Item ID: 65028
DC Identifier: http://oa.upm.es/65028/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65028
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65028
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 27 Oct 2020 08:07
Last Modified: 27 Oct 2020 08:18
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