Tesis:
A proposed methodology for passive autocatalytic recombiners sizing and location in LWR containments
- Autor: LÓPEZ-ALONSO CONTY, Emma Sara
- Título: A proposed methodology for passive autocatalytic recombiners sizing and location in LWR containments
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/44412/
- Director/a 1º: JIMÉNEZ VARAS, Gonzalo
- Resumen: One of the main objectives of nuclear safety is to ensure the integrity of the containment building, which constitutes the last barrier designed to prevent radioactive material release to the environment. The hydrogen combustion in a post-accident containment represents one of the most significant hazards for that integrity. The hydrogen is generated during a severe accident in different modes, as well as different quantities and is produced at different stages according to the different melting points of the materials. The early degradation of the core implies the generation of hydrogen by the exothermal oxidation reactions of Zircaloy of the fuel cladding with water and steam at high temperatures and its subsequent release inside the containment building. In the later phase, the oxidation of other metallic components or metals from the corium or debris also has to be taken into account. An issue of major interest for hydrogen safety inside the nuclear environment are the hydrogen combustion risk mitigation measures in case of severe accidents. The reduction of hydrogen concentration from the containment atmosphere during an accident can be achieved through the use of Passive Autocatalytic Recombiner (PAR). The use of this technology is the most extensively deployed strategy to consume the hydrogen before it could reach flammable concentrations during a severe accident, particularly during accidents with loss of electric power supply. The PAR implementation is under study in many operating NPPs to reduce the hydrogen concentration during severe accidents. The PARs remove hydrogen from the reactor containment by an exothermal reaction of hydrogen oxidation by the oxygen presented in the containment atmosphere with the use of metals as catalysts generating steam and heat. This method is totally passive and requires studies that accurately predict the hydrogen pathways and 3D distribution to ensure an unimpaired PAR performance. Given the need for more detailed multidimensional analysis of containment, some computational tools have been developed that permit thermo hydraulic analysis. The thermo hydraulic GOTHIC code allows performing 3D detailed models and could achieve greater flexibility in designing operational strategies, containment systems, and evaluation of design basis accidents and severe accidents. The methodology posed herein analyzes the Passive Autocatalytic Recombiners implementation answering the regulatory requirements emerged after the accident in Fukushima Daichii. This PhD thesis comprises PAR sizing and location, and the hydrogen control during severe accidents by developing safety demonstration analyses, which include the implementation of optimized PARs configuration in several containment buildings (BWR, PWR-KWU, and PWR-W). This methodology is divided into four steps. The step 1 – consists of the selection of the accidental scenarios simulated with a severe accident code (MAAP, MELCOR) to obtain mass and energy sources; step 2 – development of a 3D containment model with GOTHIC code,; step 3 – hydrogen distribution analysis in containment to determine the hydrogen pathways; step 4 – PAR location, implementation, and analysis of efficiency. After the number and location of these recombiners are defined, a demonstration of the efficiency of the PAR system installation is required by comparing the sequences with and without recombiners, in order to quantify the reduction achieved in the combustion risk. If the hydrogen combustion risk or the recombination rates of each PAR are not acceptable the process starts again, being an iterative methodology. In view of the results, the optimized PARs configurations are capable of managing the hydrogen released in the chosen sequences, decreasing the possibility of hydrogen combustion risk below the deflagration limits in all the containment compartments at the end of the transient. The fact of having very detailed 3D models allowed creating a strategy of implementation based on the hydrogen preferential pathways and areas of accumulation. Nevertheless, sudden and significant hydrogen releases that may happen in some scenarios might not be under control by the PARs performance. Also, the studies show that the PARs could be unable to recombine in the early period of a possible fast release, due to their inertia and occurrence of oxygen starvation conditions, failing to prevent completely the combustion risk for a limiting scenario with fast hydrogen release. The proposed methodology provides a guideline for PARs implementation and establishes a useful reference for PARs configuration, capable of coping with hydrogen combustion risk. This methodology has proven to be accurate enough for analysing the PARs installation in the BWR Mark III, PWR-KWU, and PWR-W containment type. RESUMEN Uno de los principales objetivos de la seguridad nuclear es garantizar la integridad del edificio de contención, que constituye la última barrera diseñada para evitar la liberación de material radiactivo al medio ambiente. La combustión de hidrógeno en el interior de una contención representa uno de los riesgos más significativos para su integridad. El hidrógeno se genera durante un accidente severo en diferentes modos, así como en diferentes cantidades. El hidrógeno se produce durante las diferentes etapas de acuerdo a los diferentes puntos de fusión de los materiales que constituyen el núcleo. La degradación temprana del núcleo implica la generación de hidrógeno mediante reacciones exotérmicas de oxidación del Zircaloy de las vainas de combustible con el agua y vapor a altas temperaturas y su posterior liberación en el interior del edificio de contención. En la última fase, la oxidación de otros componentes metálicos, del corium o residuos, también ha de ser tomada en cuenta. Un tema de gran interés para la seguridad dentro del entorno nuclear son las medidas de mitigación del riesgo de combustión de hidrógeno en caso de accidentes severos. La reducción de la concentración de hidrógeno en la atmósfera de la contención durante un accidente se puede lograr mediante el uso de recombinadores autocatalíticos pasivos (PAR). El uso de esta tecnología es la estrategia más ampliamente desplegada para reducir el hidrógeno antes de que este pueda alcanzar concentraciones de flamabilidad durante el transcurso de un accidente severo, sobre todo en caso de accidente con pérdida de la fuente de alimentación eléctrica. La aplicación de PARs es objeto de estudio en muchas centrales nucleares para reducir la concentración de hidrógeno. Los PARs eliminan el hidrógeno de la contención mediante la reacción exotérmica de oxidación del hidrógeno por el oxígeno presente en la atmósfera de la contención con el uso de metales como catalizadores, produciendo vapor y calor. Este método es totalmente pasivo y por tanto, requiere estudios que predigan con suficiente precisión los caminos referenciales de hidrógeno y su distribución tridimensional para asegurar un mayor rendimiento de los PARs. Dada la necesidad de un análisis multidimensional más detallado, se han desarrollado diversas herramientas computacionales que permiten un análisis termohidráulico de la contención. El código termo-hidráulico GOTHIC permite realizar modelos 3D detallados, pudiendo conseguir una mayor flexibilidad en el diseño de estrategias operativas, sistemas de contención y evaluación de los accidentes base de diseño y accidentes severos. La metodología propuesta en esta tesis analiza la aplicación de recombinadores autocatalíticos pasivos, respondiendo a las exigencias reglamentarias surgidas después del accidente en Fukushima Daichii. Esta tesis doctoral comprende el dimensionamiento y localización de PARs y la distribución de hidrógeno durante accidentes severos a través de un análisis comparativo de seguridad, incluyendo la aplicación de dicha metodología para la obtención de una configuración optimizada de PARs en varios edificios de contención (BWR, PWR-KWU, y PWR-W). Esta metodología se divide en cuatro pasos. El paso 1 - consiste en la selección de los escenarios accidentales simulados con un código de accidente severo (MAAP, MELCOR) para obtener las fuentes de masa y energía; Paso 2 - desarrollo de un modelo 3D de contención con el código GOTHIC; Paso 3 - análisis de la distribución de hidrógeno en contención para determinar los caminos de hidrógeno; el paso 4 - dimensionamiento y ubicación de PARs, así como un análisis de la eficiencia. Después de definir el número y la ubicación de estos recombinadores, se realiza un análisis de eficacia del sistema de PARs mediante la comparación de las secuencias con y sin recombinadores, con el fin de cuantificar la reducción lograda en el riesgo de combustión. Si el riesgo de combustión de hidrógeno o las tasas de recombinación de cada PAR no son aceptables el proceso comienza de nuevo, al ser una metodología iterativa. En vista de los resultados, las configuraciones optimizadas de PARs son capaces de gestionar el hidrógeno liberado en las secuencias elegidas, disminuyendo el riesgo de combustión de hidrógeno por debajo de los límites de deflagración en todos los compartimentos de contención al final del transitorio. El hecho de tener modelos detallados tridimensionales permiten la creación de una estrategia de implementación basada en los caminos preferenciales y zonas de acumulación de hidrógeno. Sin embargo, las emisiones de hidrógeno repentinas y significativas que pueden ocurrir en algunos escenarios podrían no estar bajo el control del rendimiento de los PARs. Estudios muestran que los PARs podrían ser ineficientes en el período inicial de una posible liberación rápida, debido a su inercia y ciertas condiciones de la atmosfera de contención como puede ser la falta de oxígeno, al no prevenir completamente el riesgo de combustión de hidrógeno. La metodología propuesta proporciona una guía para la aplicación de PARs y establece una referencia útil para establecer una configuración preliminar de PARs capaces de hacer frente a los riesgos de combustión de hidrógeno. Esta metodología ha demostrado ser precisa para el análisis de la instalación de PARs en el BWR Mark III, PWR-KWU, y el tipo de contención PWR-W.