A detailed chemistry model for transient hydrogen and carbon monoxide catalytic recombination on parallel flat Pt surfaces implemented in an integral code

A detailed chemistry model has been adapted and developed for surface chemistry, heat and mass transfer between H2/CO/air/steam/CO2 mixtures and vertical parallel Pt-coated surfaces. This model is based onto a simplified Deutschmann reaction scheme for methane surface combustion and the analysis by Elenbaas for buoyancy-induced heat transfer between parallel plates. Mass transfer is treated by the heat and mass transfer analogy. The proposed model is able to simulate the H2/CO recombination phenomena characteristic of parallel-plate Passive Autocatalytic Recombiners (PARs), which have been proposed and implemented as a promising hydrogen-control strategy in the safety of nuclear power stations or other industries. The transient model is able to approach the warm-up phase of the PAR and its shut-down as well as the dynamic changes within the surrounding atmosphere. The model has been implemented within the MELCOR code and assessed against results of the Battelle Model Containment tests of the Zx series. Results show accurate predictions and a better performance than traditional methods in integral codes, i.e., empirical correlations, which are also much case-specific. Influence of CO present in the mixture on the PAR performance is also addressed in this paper

Modelos numéricos acoplados a un código fluidodinámico para el análisis del riesgo de combustión de hidrógeno en contenciones

Esta tesis doctoral está dedicada al análisis del riesgo de combustión de hidrógeno en la contención de centrales nucleares durante un accidente severo. Los fenómenos involucrados en este problema abarcan un rango muy amplio de escalas espaciales y temporales. Hay dos familias de códigos de cálculo que pueden tratar este problema: códigos de parámetros promediados, menos detallados y precisos, pero muy rápidos en el cálculo y códigos de fluidodinámica computacional, más precisos y detallados, pero más lentos y limitados en fenomenología. La aplicación de una metodología conjunta entre los dos tipos de códigos permitiría obtener resultados suficientemente precisos en tiempos de cálculo razonables. El código CFX-4 es un código comercial, de fluididinámica computacional, que no ha sido desarrollado específicamente para estudios de seguridad de combustión de hidrógeno en contención. Por lo tanto, su utilización en este tipo de problemas necesita una intensa labor de validación y de acoplamiento de modelos, que simulen todos los fenómenos relevantes. Estas tareas constituyen la principal contribución de la tesis doctoral. La revisión de los fenómenos termohidráulicos de contención ha permitido identificar aquellos que son importantes en los estudios de riesgo de combustión de hidrógeno: formación de chorros y plumas, convección natural y condensación. Se ha validado el código frente a experimentos de efectos separados que reproducen estos fenómenos o correlaciones ampliamente aceptadas; los resultados han demostrado la capacidad del código para reproducirlos. El fenómeno de la condensación de vapor en película es uno de los más importantes en estos estudios de seguridad, ya que la cantidad de vapor en la atmósfera marcará la sensibilidad de la mezcla a la combustión. En el código CFX-4, que no presenta modelos específicos para la condensación, se ha implementado un modelo que simula la película de condensado de forma estática, basada en la teoría de Nusselt. A este modelo se le han añadido los efectos de ondulación, turbulencia de la película y orientación de la pared. La influencia de gases incondensables, que se acumulan cerca de la pared y dificultan la condensación, se ha considerado por medio de cuatro modelos diferentes: correlaciones en función de la concentración de gases incondensables, la analogía entre la transferencia de calor y masa, y la capa límite de difusión (dos variantes). Los modelos se han comparado frente a un gran número de experimentos de condensación, y se han acotado sus predicciones para el uso en las condiciones de accidente severo. El modelo basado en la correlación es el que se ha utilizado para las aplicaciones a planta ya que da buenos resultados, invierte mucho menos tiempo de cálculo acoplado a CFX y se comporta numéricamente con robustez. Los modelos basados en la capa límite de difusión son los más precisos, en general, pero necesitan mayores tiempos de cálculo. Para simular la condensación homogénea en la atmósfera y la formación de niebla y gotas de lluvia. se han implementado modelos basado en funciones de relajación. Los fenómenos termohidráulicos se han completado incluyendo un modelo de transmisión de calor por conducción 1D en las paredes de la contención. Además se han añadido al código las propiedades de los gases puros y de las mezclas en la atmósfera. El estudio del riesgo de combustión de hidrógeno, se propone realizarlo sin la simulación de los procesos propios de la combustión. Su complejidad y coste en tiempo de cálculo son los factores clave a eludir. Alternativamente, se han implementado una serie de criterios que permiten evaluar si la mezcla es inflamable, si el proceso de combustión puede llevar a la aceleración de la llama o a la transición a detonación y cuanta energía es necesaria para iniciar la combustión. Estos criterios se han acoplado al código y se evalúan en cada instante del cálculo en todas las regiones de la contención, para todo el gas del recinto y también, en determinadas nubes con mayor concentración de hidrógeno. El funcionamiento de todos los modelos acoplados en el código se ha comprobado frente a dos experimentos integrales realizados en la instalación NUPEC. Esta instalación es una contención multicompartimentada a escala o de un reactor PWR de cuatro lazos. En los experimentos se dan las dos situaciones posibles de evolución de la atmósfera: homogénea y estratificada. Los resultados muestran que se ha simulado de forma adecuada la mayoría de las variables de estos experimentos, y en especial, las dos evoluciones de la atmósfera. Finalmente, se han realizado aplicaciones a dos plantas PWR prototípicas españolas, de diseño Westinghouse y KWU. Los resultados han mostrado condiciones más críticas en la segunda planta, en la que se pueden dar acumulaciones locales importantes. Las peores situaciones se darían con liberaciones en puntos intermedios que conducen a atmósferas estratificadas, y por lo tanto a acumular la mayor parte del hidrógeno en la parte alta de la contención. En estas secuencias no se pueden descartar procesos de aceleración de llama en dicha región y transición a detonación en los entornos de la rotura. Las situaciones más críticas se dan cuando se producen procesos de reinundación en el núcleo, como consecuencia de las inyecciones adicionales de hidrógeno