Tesis:
Development and validation of key aerosol models for source term predictions in sodium-cooled fast reactors during beyond design basis accidents
- Autor: GARCÍA MARTÍN, Mónica
- Título: Development and validation of key aerosol models for source term predictions in sodium-cooled fast reactors during beyond design basis accidents
- Fecha: 2018
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/53129/
- Director/a 1º: HERRANZ PUEBLA, Luis Enrique
- Director/a 2º: PETER KISSANE, Martin
- Resumen: En el transcurso de un accidente severo en un reactor rápido refrigerado por sodio (SFR), se prevé la expulsión a contención de material en forma de sodio líquido mezclado con combustible y productos de fisión. En presencia de oxígeno, la combustión del sodio da lugar a la conversión de una gran fracción del sodio consumido en aerosoles que gobernarán la radioactividad suspendida en contención; este hecho junto con el daño potencial asociado a las especies químicas resultantes de la reacción de los óxidos de sodio con el vapor de agua presente en la atmósfera serán los responsables en gran medida del impacto radiológico y químico de cualquier posible término fuente. En este sentido, la caracterización y el comportamiento de los aerosoles provenientes del sodio generados durante fuegos en la contención es de suma importancia para la evaluación de las consecuencias radiológicas de los accidentes severos en los SFRs. Esta tesis representa un avance en el modelado del término fuente en contención en el caso de un hipotético accidente severo en un SFR. Para ello, se ha desarrollado un modelo fenomenológico para la generación de partículas de óxido de sodio durante un fuego tipo piscina de sodio (modelo PG). El modelo engloba la evaporación de sodio desde la piscina y la formación de los aerosoles de óxido de sodio y calcula las características (número y tamaño) de las partículas que componen el término fuente en contención. El modelo consiste en un conjunto de modelos individuales para la vaporización del sodio (aproximación de capa difusiva), transporte del O2 mediante circulación natural de aire (patrón de flujo 3D para capturar la turbulencia asociada prevista justo encima de la región de reacción), reacciones químicas Na-O2 (reacción instantánea y energía de reacción) y conversión vapor-partícula de los óxidos de sodio (es decir, nucleación y/o condensación). Su validación parcial frente a datos experimentales ha mostrado una respuesta consistente en términos de tasa de quemado. La utilización de cálculos 3D fluido-dinámicos en accidentes más allá de la base de diseño resulta actualmente inapropiado (falta de herramientas validadas) y poco factible (costosos recursos informáticos). Por ello, se ha desarrollado una aproximación cero-D (parámetros concentrados). Posteriormente, el modelo ha sido adaptado para su implementación en el código de accidente severo ASTEC-Na CPA. La actuación del nuevo código resultante de la implementación de las correlaciones propuestas ha sido examinada mediante la comparación con los datos más consistentes disponibles en la bibliografía publicada. Como conclusión, las nuevas correlaciones derivadas del modelo PG resultan muy adecuadas para su utilización en códigos de accidente severo en términos de la insignificante carga computacional que añaden. Las nuevas correlaciones, al originarse a partir de simplificaciones de modelos físicos sólidos, evitan la suposición arbitraria de un tamaño fijo de partícula primaria presente en los modelos actuales. Las comparaciones con experimentos, aunque limitadas, dejan ver que el uso de las nuevas correlaciones aumenta la confianza en las predicciones del término fuente en contención resultante de incendios de piscinas de sodio. ----------ABSTRACT---------- During Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs) severe accidents, it is foreseen that material in the form of liquid sodium mixed with fuel and fission products would be ejected into the containment. In the presence of oxygen, combustion of sodium (Na) results in the conversion of a large fraction of the burnt Na into Na-oxide aerosols that would govern the suspended radioactivity inside the containment; this together with the potential harm associated with the chemical species resulting from the Na-oxides reaction with water vapour present in the atmosphere would be responsible to a great extent for the radiological and chemical impact of any potential source term. In this sense, the characterization and behaviour of Na-based aerosols generated during in-containment Na-fires is of fundamental importance for the assessment of the radiological consequences in SFR severe accidents. The work in this thesis presents a step forward in modelling in-containment source term during potential severe accidents in Na-cooled reactors. A phenomenological model for sodium-oxide particle generation during sodium pool-fires has been developed (PG model). The model covers sodium-vapour evaporation from a sodium pool and formation of sodium-oxide aerosols and calculates the characteristics (number and size) of the particulate source term to the containment. It consists of a suite of individual models for Na vaporization (diffusion layer approach), O2 transport by air natural circulation (3D flow pattern modelling to capture the associated turbulence foreseen right above the reaction region), Na-O2 chemical reactions (instantaneous reactions and energy of reaction) and vapour-to-particle conversion of Na-oxides (i.e., nucleation and/or condensation). A partial validation with available experimental data showed a consistent model response in terms of burning rates. As using 3D computational fluid dynamics in analysis of Beyond Design Basis Accidents at present is unsuitable (lack of validated SFRs severe accident tools) and impractical (expensive computer resources), a zero-D (lumped) approach has been developed. Subsequently the model has been adapted to be implemented in the severe-accident computer code ASTEC-Na CPA by transposing the PG formulation into a form with those specific variables included in the code. The performance of the ASTEC-Na CPA with the proposed correlations implemented has been tested against some of the more sound available data in the open literature. In conclusion, the new correlations derived from the PG model are very suitable for use in a severe-accident code in terms of the negligible additional computational burden. The new correlations, by originating from simplifications of soundly-based physical modelling, avoid the arbitrary assumption of a fixed primary-particle size in the existing modelling. Limited comparisons with experiments imply that use of the new correlations increases confidence in prediction of the pool-fire particulate source term to the containment.