Analysis and modeling of ex-vessel underwater cooling processes of debris bed and molten corium pool in interaction with concrete
Analyse et modélisation des processus de refroidissement sous eau des lits de débris et des bains de corium en interaction avec le béton
Résumé
In the case of a hypothetical nuclear severe accident with partial or extensive core meltdown, the superheated magma made of molten steel and fuel, called corium (T > 2500K), may threaten the integrity of the reactor pressure vessel and subsequently the reactor containment building, if long-term corium coolability is not assured. The coolability by water injection and successive water penetration into the corium through the upper surface is analyzed for two expected configurations: particle bed, and corium pool overlaying the concrete. The second configuration is linked to the situation of Molten Corium-Concrete Interaction (MCCI), where a crust is formed in the upper corium surface when it comes into contact with water and is later subjected to thermal stresses that lead to its fracturing. The challenge is to characterize the effectiveness of extracting heat by the possible water penetration into the crust. The first configuration can be expected in two different situations: melt fragmentation coming from the rupture of the reactor pressure vessel and expulsion of the corium, or during melt eruption episodes through the corium crust during MCCI via corium entrainment by the concrete decomposition gases. The phenomena linked to the water penetration into the corium for these two configurations are examined through an in-depth analysis of the available experimental results, by the development of an analytical model and finally through the modification and use of the Computational Multi-Fluid Dynamics (CMFD) code MC3D. One dimensional analysis conducts to a better understanding of the minutia of the two-phase countercurrent flow through the porous media and leads the proposal of a simplified heat flux model for the water penetration with corresponding relations applicable for both configurations of interest. Furthermore, the development and the impact of penetrating front instability are studied with the help of 2D MC3D simulations, which show important effects of the initial temperature and the permeability of the corium configuration on the penetration front velocity and appearance of the instabilities. The analytical model is extended to a pseudo-two-dimensional two-zone configuration (with one zone subjected to a two-phase countercurrent flow and another through which monophasic superheated vapor flows) to analyze in greater detail the impact of the penetrating front heterogeneity over the extracted heat flux. The mechanism of water penetration through a fractured crust is revisited. The analysis indicates strong border effects in the SSWICS tests (Argonne National Laboratories) dedicated to the study of this phenomenon. The conclusions of precedent studies on the efficiency of the phenomena could not, therefore, be confirmed due to important uncertainties over the process of fracturing, overly sensitive to the mechanical properties of corium, which in turn are not properly characterized. Finally, the models, and simulations, are applied to real accidental scenarios, including the presence of residual power. For the debris bed, the extracted heat flux, and the cooling capabilities are less than those found using the simplified dry-out heat flux criteria.
En cas d'accident grave avec fusion du cœur, le magma surchauffé constitué d'acier et de combustible fondu, appelé corium (T> 2 500 K), peut menacer l'intégrité de la cuve du réacteur, puis du bâtiment de confinement, si le refroidissement du corium n’est pas assuré. La capacité de refroidissement en situation hors-cuve, par l’injection d’eau et pénétration de celle-ci dans le corium en surface supérieure, est étudiée pour deux configurations attendues : le lit de particules et bain de corium. La seconde configuration est liée à la situation d’interaction corium-béton (ICB) où une croûte se forme en face supérieure en contact avec l’eau, puis est soumise à une fracturation à cause des effets thermiques dans cette croûte. L’enjeu est de caractériser l’efficacité d’une éventuelle pénétration de l’eau dans la croûte. La première configuration peut intervenir en particulier dans deux situations suite à une fragmentation du corium dans l’eau : lors de l’éjection hors de la cuve, ou suite à des périodes d’éjection à travers la croute en phase d’ICB par entraînement du corium par des gaz issus de l’ablation du béton. Les phénomènes de pénétration de l’eau dans le corium sont examinés par une analyse approfondie des résultats des expériences disponibles, par la mise au point d’un modèle analytique 1D et par la modification et l’utilisation du code de thermohydraulique multiphasique multi-fluides (CMFD) MC3D. L’analyse 1D permet de mieux comprendre les détails de l’écoulement diphasique dans la matrice poreuse et conduit à proposer un modèle simplifié de pénétration de l’eau, avec des relations correspondantes applicables pour les deux configurations d'intérêt. Par ailleurs, le développement et l’impact d’instabilités au front de pénétration sont étudiés avec des simulations 2D avec MC3D, illustrant le rôle important de la température initiale du lit et sa perméabilité sur la vitesse de pénétration du front, et sur l’apparition des instabilités. Le modèle analytique est alors étendu à une configuration à deux zones (une zone soumise à un écoulement diphasique en contre-courant et une zone monophasique dans laquelle la vapeur surchauffée traverse) pour analyser plus en détail l’impact des hétérogénéités de progression du front sur les flux thermiques extraits. Le mécanisme de pénétration de l’eau dans les croûtes est discuté. L’analyse indique de forts effets de bords sur les processus de fracturation dans les essais SSWICS (Argonne Nat. Lab.), dédiés à ce phénomène. Les conclusions des travaux précédents sur l’efficacité du phénomène ne peuvent dès lors être confirmées du fait des fortes incertitudes sur les processus de fracturation, très sensibles aux propriétés mécaniques du corium, très mal caractérisées. Finalement, les modèles sont appliqués aux situations réelles impliquant la présence de la puissance résiduelle. Pour les lits de débris, les flux extraits et les capacités de refroidissement sont moindres qu’avec l’utilisation du critère simplifié de « flux d’assèchement ».