Υπολογιστική μοντελοποίηση πειραματικής θερμοϋδραυλικής διάταξης προσομοίωσης διαύλου ψύξεως πυρηνικού αντιδραστήρα με χρήση τεχνολογικού κώδικα: πρόβλεψη ταχύτητας υγρού μετώπου επανάψυξης και δραστικής θερμοκρασίας ξήρανσης

Abstract

This PhD Thesis focused on the theoretical and computational study of heat transfer in a twophase water steam mixture under the special rewetting conditions of an overheated cylindricalrod surrounded by air and / or dry steam. The study was based on available experimental results. The results had been obtained from rewetting simulation experiments. The experimentswere conducted on a simulated nuclear fuel rod under water bottom flooding conditions with emphasis on low flowrates and atmospheric pressure. The experimental results were collected using a thermal hydraulic research set-up available at the Nuclear Engineering Laboratory ofthe National Technical University of Athens. This set-up could simulate the rewetting of the equivalent cooling channel of nuclear reactor core (i.e. a single rod channel). This is the only such set-up existing and operating in Greece; the set-up is similar to (really few today, 2025)others that exist internationally and that have been reported in several publications. The results considered within the present Thesis are of significant interest to the relevant scientific community since the experiments were conducted in conditions, which could effectively resemble the rewetting processes induced by passive Emergency Core Cooling Systems. During the results processing, relevant theoretical rewetting models were satisfactory tested /verified for the low flowrates low pressure conditions examined. The models were of the formu-1(θ), where u-1 is the inverse rewetting velocity (i.e. the inverse velocity of the wet front propagation) and θ is a dimensionless temperature, which is a linear or a non-linear function ofthe temperature on the wall of the rod before rewetting, the subcooling temperature and the effective dry out temperature. The effective dry out temperature could be roughly considered as the temperature at the interface between the two-phase water and the dry situation. Empirical optimizations were suggested and proven for the models examined. It is believed that these optimizations account for unknown frictions during the experiments. Despite the simple form of these suggestions, there is no mention of them in previous references. Further,the agreement of the current version of the RELAP thermal hydraulic engineering code with the experimental data was tested. To this end, the experimental set-up was modelled using RELAP, as is the prerequisite for any commercial nuclear reactor. The findings verify the modified theoretical models as well as the general, largely qualitative, agreement of the RELAP simulations with the conducted experiments. The main problem in this negotiation concerns the unknown effective dry-out temperature. This temperature should be known satisfactorily, in order for the efficient application of the modified models. Α method was developed for the estimation of this particular temperature. This method is new and nonexistentin references. The estimation of this temperature is the only method of knowing itsrange, since it is extremely difficult or even impossible to measure it.

H Διδακτορική Διατριβή εστίασε στη θεωρητική και υπολογιστική διερεύνηση της μεταφοράς θερμότητας σε διφασικό νερό υπό τις ειδικές συνθήκες επανάψυξης κυλινδρικής ράβδου που έχει υπερθερμανθεί και περιβάλλεται από αέρα ή / και ξηρό ατμό. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε με βάση πειραματικά αποτελέσματα. Τα πειραματικά αποτελέσματα έχουν ληφθεί από πειράματα προσομοίωσης επανάψυξης ράβδου πυρηνικού καυσίμου μενερό με πλημμυρισμό από τα κάτω με έμφαση σε πειράματα πλημμυρισμού σε ατμοσφαιρική πίεση και χαμηλές παροχές. Τα αποτελέσματα προέρχονται από πειραματική διάταξη που λειτουργεί στο Εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας του ΕΜΠ, η οποία μπορεί να προσομοιώνει επανάψυξη στον ισοδύναμο δίαυλο ψύξεως ενός αντιδραστήρα ύδατος (δηλαδή αυτόν με μία ράβδο πυρηνικού καυσίμου). Η διάταξη αυτή είναι η μοναδική που υπάρχει και λειτουργεί στην Ελλάδα, αλλά ασφαλώς ανάλογη άλλων (λίγων σήμερα, 2025)που υπάρχουν σε άλλα Εργαστήρια της αλλοδαπής και αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Τα πειραματικά αποτελέσματα που έδωσε αυτή η πειραματική διάταξη σε αυτές τις ιδιαίτερες συνθήκες ενδιαφέρουν πολύ την ερευνητική κοινότητα διότι οι μικρές παροχές ψυκτικού σε χαμηλή πίεση είναι συνθήκες κοντινές στις διαδικασίες επανάψυξης με παθητικά συστήματα έκτακτης ψύξης. Κατά την επεξεργασία ελέγχθηκαν / επαληθεύθηκαν ικανοποιητικά για τις συνθήκες αυτές θεωρητικά μοντέλα επανάψυξης της μορφής u-1(θ), όπου u-1 η αντίστροφη ταχύτητα επανάψυξης (δηλαδή η αντίστροφη ταχύτητα προώθησης του υγρού μετώπου) και μια αδιάστατη θερμοκρασία που προκύπτει ως γραμμική ή μη γραμμική συνάρτηση, των θερμοκρασιών στην επιφάνεια της ξηρής ράβδου που έχει υπερθερμανθεί, της υπόψυξης του νερού που ψύχει και της δραστικής θερμοκρασίας ξήρανσης. Η δραστική θερμοκρασία ξήρανσης μπορεί να θεωρείται η θερμοκρασία της περιοχής της ράβδου, στην οποία παρατηρείται η διεπαφή μεταξύ του διφασικού νερού και της ξηρής κατάστασης. Για τα εξεταζόμενα μοντέλα προτάθηκαν και αποδείχθηκαν εμπειρικές βελτιώσεις που συνδέονταιμε τριβές. Οι βελτιώσεις αυτές, παρότι απλές, δεν συναντώνται στη βιβλιογραφία. Επιπλέον,δοκιμάστηκε η συμφωνία προσομοιώσεων επανάψυξης με τον τεχνολογικό κώδικα θερμοϋδραυλικής RELAP τρέχουσας επίκαιρης έκδοσης με τα υπόψη πειραματικά αποτελέσματα. Για το σκοπό αυτό υλοποιήθηκε μια μοντελοποίηση της χρησιμοποιούμενης πειραματικής διάταξης με τον κώδικα RELAP, όπως εξάλλου είναι προαπαιτούμενο και γίνεται και για οποιονδήποτε εμπορικό αντιδραστήρα. Τα ευρήματα φαίνεται ότι επαληθεύουν τόσο τη βελτιωμένη θεωρία όσο και τη γενική, ποιοτική κυρίως, συμφωνία των υπολογιστικών προσομοιώσεων με το πείραμα. Το κυριότερο πρόβλημα σε αυτήν την διαπραγμάτευση εντοπίσθηκε στην άγνωστη δραστική θερμοκρασία ξήρανσης, η οποία πρέπει να είναι ικανοποιητικά γνωστή για την καλύτερη εφαρμογή των τροποποιημένων μοντέλων. Για να αντιμετωπισθεί αυτό αναπτύχθηκε μέθοδος για την εκτίμηση της υπόψη θερμοκρασίας. Η μέθοδος αυτή δεν υπάρχει στη βιβλιογραφία. Η εκτίμηση της δραστικής θερμοκρασίας ξήρανσης είναι η μόνη μέθοδος για να βρει κανείς την κύμανσή της, διότι η θερμοκρασία αυτή είναι πάρα πολύ δύσκολο αν όχι αδύνατο να μετρηθεί.