Cron, T.

Fluhrer, B.

Gaus-Liu, X.

English

KITopen

International Seminar “In‐vessel retention: outcomes of IVMR project” Palais des Congrès, Juan‐les‐Pins, France, January 21‐22, 2020  1/6   LIVE2D Experiments on Thermohydraulics of Stratified Melt Pool in LWR Lower Plenum   X. Gaus‐Liu1, T. Cron1, B. Fluhrer1   1: Karlsruhe Institute of Technology Hermann‐von‐Helmholtz‐Platz 1, 76344, Eggenstein‐Leopoldshafen, Germany  xiaoyang.gaus‐liu@kit.edu, thomas.cron@kit.edu, beatrix.fluhrer@kit.edu   Abstract In‐vessel melt retention (IVMR) as a promising strategy in Severe Accident Management for Light Water Reactors is adopted in VVER 440 or AP600 reactors as well as in higher power reactors around 1000 MWe, like AP1000 and Chinese CPR 1000. There  is still a  large uncertainty of the  in‐vessel melt retention by external cooling at power higher than 1000 MWe, and especially where a thin metallic layer appears on the top of a heat‐generating oxide  layer. Less knowledge based on  large‐scale experiments  is available until now of the interactive physical, chemical and thermohydraulic processes between the oxide layer and  the metallic  layer. Experiments with naturally  separated  two  liquid  layers were conducted  in  the upgraded LIVE2D test facility  in Karlsruhe  Institute of Technology, using a nitrate salt mixture as  lower (oxide)  layer simulant and high‐temperature oil as upper (metal)  layer simulant. The transparent front wall of  the  test vessel enables direct observation of global  convection patterns of  the melts and  the response of crust at the layer interface. Two series of experiments with three upper layer thicknesses and different surface boundary conditions were carried out. The experiments reveal major thermohydraulic characteristics of the simulated metallic layer during the transient and steady states and show a strong dependence of the heat flux focusing effect on the upper boundary cooling condition and the upper layer thicknesses.   Introduction In order to prevent vessel failure by a corium pool with decay heat in the lower plenum of a water‐cooled reactor, a potential solution is flooding the reactor cavity with water and thus establishing sustained heat removal by external cooling water in natural convection. Henry [1] and Theofanous [2] proved that the external cooling strategy could protect the vessel integrity for a reactor up to 1000 WMe during a steady‐state  configuration  of  a  homogenous  oxide  corium  pool.  However,  the  PIRT  analysis  [3]  within  the European H2020 IVMR project reveals that the uncertainty for the success of IVMR increases substantially during a transient state when molten metal accumulates on top of the oxidic corium in the lower head during  the course of melt down of core steel structures and ablation of pressure vessel material. The thermohydraulics of a stratified melt pool  is very complex since  it  is a dynamic process with the heat transfer and material interaction between the two layers with the involvement of an interlayer crust. If the stratified metallic upper layer is small and the upper surface heat transfer is limited, the vessel wall could receive a very high heat flux (“focusing effect”).  The intensity of this heat flux focusing effect is strongly influenced by the upper surface cooling condition, the upper layer thickness, the behaviour of the interlayer crust and when there is no interlayer crust on the metallic  layer  reversing  and  the  turbulence  between  the  layers.  In  the upgraded  LIVE2D  facility, International Seminar “In‐vessel retention: outcomes of IVMR project” Palais des Congrès, Juan‐les‐Pins, France, January 21‐22, 2020  2/6   pioneering experiments with naturally separated simulant melts under large geometry und varying upper layer thicknesses and upper boundary conditions are therefore performed to improve the understanding of the heat transfer of a stratified melt pool.   LIVE2D Test Facility and Performance The  LIVE2D  test  vessel  in  semicircular  slice geometry  simulates  the  RPV  lower  head (Figure 1) in 1:5 linear scale. The inner diameter is  1  m  and  the  width  is  12  cm.  The  vessel material is stainless steel and the wall thickness is approx. 24 mm. The  curved  surface of  the vessel  is  enclosed  in  a  curved  cooling  vessel and the top area can be covered either with a metal  plate  or  a  water‐cooled  steel  lid.  The vertical backside of  the  test vessel  is  isolated and  the  front  side was upgraded with quartz plates, which enable the direct visualization of the melt pool. The decay heat is simulated with nine  planes  of  independently  controlled electrical  resistance  heating  wires.  LIVE2D shares  the  melt  preparation  system  and infrastructure with the LIVE3D facility [4].   Table 1: Material properties. Properties  Lower layer simulant: 50% KNO3‐50% NaNO3 Upper layer simulant: Thermal oil   at 224 °C  at 260 °C  at 140 °C  at 220 °C Liquid temperature range, °C  224‐400  0‐240 Density (kg/m³)  1964  1937  755  540 Kinematic viscosity (mm²/s)  2.76  2.23  11  9 thermal conductivity (W/mK)  0.48  0.47  0.15  0.15 thermal capacity J/(gK)  1.29  1.31  1.7  1.83 Pr  14.5  12.0  94  59 Ra  10 12  ‐ 1013  10 8  ‐ 109  The eutectic binary nitrate salt 50% KNO3 ‐ 50% NaNO3 as the lower layer simulant and a thermal oil as upper  layer  material  were  selected.  A  comparison  of  main  thermohydraulic  properties  of  the  two simulants  are  given  in Table 1. Melt  temperature distribution, boundary‐near  temperatures  and wall temperatures were measured. The heat flux determination at the vessel wall is based on the inner and outer wall temperatures. IR videos, real time videos and time‐lapse videos were recorded.   The first test series (LIVE‐2L‐SO1) was performed with a 2‐layer melt pool and a hot upper atmosphere. Three upper layer thicknesses in the subsequence of 35 mm, 75 mm, 110 mm and 75 mm were realized  Figure 1: LIVE2D experimental setup. International Seminar “In‐vessel retention: outcomes of IVMR project” Palais des Congrès, Juan‐les‐Pins, France, January 21‐22, 2020  3/6   with a total test duration of about 100 hours. The lower layer thickness was kept at the height of 340 mm during the whole test. There was only volumetric heating in the lower layer, simulating the prototypical case of decay heat release in the lower oxide layer. The vessel wall was externally cooled with water and the upper surface of the vessel was covered with a thin metal plate. In the second test series (LIVE‐2L‐SOTC), the total melt pool height was kept at 452 mm, the varying upper layer thickness was realized by shifting the interlayer positions. In contrary to SO1, the melt pool was covered with a water‐cooled steel lid. In Table 2 the main features of the two test series are given.  Table 2: Main features of the test series.  Results of Melt Transients  Several phenomena of the transients of the interlayer heat transfer can be observed thanks to the large‐scale character and the optic observation possibility of the test setup. Firstly, the interlayer crust melts down or builds up depending on the interlayer temperature, which is a process parameter of the two‐layer heat transfer. Figure 2 shows the melt pool with or without a compact interlayer crust. Secondly, the  interlayer crust thickness is not uniform, and  it changes non‐synchronically from the central to the peripheral region. The interlayer crust is always thinner in the axial center than at the cold region near the wall, and the crust stabilization period is longer than the temperature stabilization in the lower layer. Since the upper layer transient couples with the crust change period, it was correspondingly longer than that in the lower layer, as shown in Figure 3.  Figure 2: Interlayer crust during SO1 test: left: with crust, right: almost without crust. Test Simulant material  Height of layer, mm  Heating phase, W  Boundary conditions Upper layer Lower layer Upper layer Lower layer  heating only in lower layer  Top surface  Vessel wall SO1  Thermal oil  eutectic NaKNO3 35  340  1300 – 940 – 1040 – 1310 – 1400 – 900  Hot air (metal plate covers the vessel) Water cooled 75  340  1300 – 1800‐ 1150 110  340  2200 – 1800 – 1400 – 1600 75  340  1600 SOTC  Thermal oil  eutectic NaKNO3 110  340  3000 – 3600 ‐ 4250  Rigid cooling (Water cooled lid) Water cooled 75  375  4230 – 3000 ‐ 3600 35  415  3600 – 3000 – 4300 – 3400 –2400 – 1800 International Seminar “In‐vessel retention: outcomes of IVMR project” Palais des Congrès, Juan‐les‐Pins, France, January 21‐22, 2020  4/6   Figure 3: Transient melt temperature in SO1 test. Reference height °0” is at layer interface   Several other interesting crust behaviours have been observed: a) the shrinkage of the crust at the wall in the oxide  layer enables a gap at the crust / vessel wall  interface, this enables the upper  layer material flowing  into the gap; b) the  interlayer position underwent slight shift after a power change due to the thermal expansion of the lower layer simulants.  Results during the Melt Steady‐State - Melt flow pattern in the upper layer During the SO1 test where a hot atmosphere existed on top of the upper layer surface, global circulation of melt flow in the upper layer was observed. The melt in the axial central zone was heated up and flowed upwards to the upper surface, then it drifted horizontally outwards to the cooled wall region, there the melt was cooled and flowed downwards to the layer bottom and thereafter it directed back to the central region  along  the  bottom.  The  global  circulation  resulted  in  different  vertical  temperature  profiles  at different radial positions. The upper layer melt flow during the SOTC test where the upper surface was rigidly cooled shows a very different flow pattern. It was similar to the Rayleigh‐Bernard convection with several strong convection cells.   - Heat flux focusing effect in the upper layer Figure 4 shows the heat flux in the two tests at different heating powers. Strong heat flux focusing effect was observed during SO1 test, where the upper boundary cooling was poor. In contrary, during the SOTC test heat fluxes in the upper layer were general lower than the maximum heat fluxes in the lower layer except at low power  input. In addition, the upper layer can withstand higher power input  in the lower layer  if  it  is cooled at the  top.  Increasing the upper  layer thickness can mitigate slightly  the heat  flux, however it is far less effective than the upper surface cooling.   - Upper layer heat transfer correlation The Ra and Nu numbers of the upper layer heat transfer from the experimental results are presented in Figure  5  in  comparison  with  Churchill  &  Chu  correlations.  Film  temperature  is  used  as  reference temperature for the material properties, and the height of the upper layer is the characteristic length. The experimental  results  obtained  a  considerably  lower Nu  number  in  comparison with  Churchill &  Chu 0.04.447.171.095.0100.5Upper layer0mm Upper layer35mmUpper layer75mmUpper layer110mmUpper layer75mm020406080100120140160180200220240260280300-150mm-100mm-50mm100mmmelt temperature, °Cheight to the layer interface at 340mm:in upper layer:  85mm  50mm  0mmin lower layer  -50mm  -100mm  -150mm0mm50mmInternational Seminar “In‐vessel retention: outcomes of IVMR project” Palais des Congrès, Juan‐les‐Pins, France, January 21‐22, 2020  5/6   correlations [5]. This arise the question on the application limitation of the Churchill & Chu correlations, which were obtained  from  the  condition of a heated  sidewall bound  to an  infinitive  large  cavity and without the influence of bottom and surface condition.     Figure 4: Heat flux at the vessel wall with 110 mm upper layer. Left: during SO1 test; right: during SOTC test.  Figure 5: Comparison of Nu with the heat transfer at the upper layer sidewall.  Conclusions  Large‐scale two‐layer melt tests were successfully performed  in  the LIVE2D test  facility by varying the upper  layer  thickness and  the upper boundary cooling condition. Different  transient behaviour of  the upper melt layer was observed which is related to the behavior of the interlayer crust and the thermal expansion of the lower layer. Strong heat flux focusing effect can be identified when the upper surface cooling is poor. The experimental results indicate massive overestimation of the traditional Churchill and Chu heat transfers correlations.    050001000015000200000 20 40 60 80 100heat flux, W/m²polar angle, °1.4kW1.6kW1.8kW2.2kWinterface050001000015000200000 20 40 60 80 100heat flux, W/m²polar angle, °4.3kW3.6kW3kWinterface0501001502002503001,E+07 1,E+08 1,E+09 1,E+10Nu sdRa sdChurchill&Chu turbulent flowChurchill&Chu laminar flowSO1SOTCNusd =  0.0282 Rasd 0.35R² = 0.945International Seminar “In‐vessel retention: outcomes of IVMR project” Palais des Congrès, Juan‐les‐Pins, France, January 21‐22, 2020  6/6   Literatures  [1] R. Henry, "External cooling of a reactor vessel under severe accident conditions," Nuclear Engineering and Design, vol. 139, pp. 31-43, 1993.  [2] T. Theofanous and S. Syri, ""The coolability limits of a reactor pressure vessel lower head"," Nuclear Engineering and Design, vol. 169 , pp. 59-76, 1997.  [3] F. Fichot, L. Carénini, N. Bakouta, H. Esmaili, L. Humphries, T. Laato, R. Le Tellier, L. Saas, I. Melnikov, P. Pandazis, R. Park, A. Philippov and V. Strizhov, “Elaboration of a PIRT for the modelling of in-vessel retention,” in Proc. of the 9th European Review Meeting on Severe Accident Research ERMSAR2019, Prague, Czech Republic, 2019.  [4] X. Gaus-Liu, A. Miassoedov, J. Foit, T. Cron and F. Kretzschmar, "LIVE-L4 and LIVE-L5L experiments on melt pool and crust behavior in lower head of reactor pressure vessel," Nuclear Technology, pp. 216-226, 2013.  [5] S. Churchill and H. Chu, “Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate,” Int. Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 18, pp. 1323-1329, 1975.     

LIVE2D Experiments on Thermohydraulics of Stratified Melt Pool in LWR Lower Plenum

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000105949/59598103

LIVE2D Experiments on Thermohydraulics of Stratified Melt Pool in LWR Lower Plenum

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

KITopen