High pressure spray: exeprimental study on aerosol droplets interaction and modeling

Water sprays are widely installed in Light Water nuclear Reactors (LWR) as safety systems. In case of an accidental or controlled discharge of coolant from the reactor cooling system, the steam produced condenses on the spray droplets depressurizing the containment, thus avoiding breakages on it and leakages outwards. In case of a severe accident in a nuclear power plant, sprays are also considered capable of a meaningful capture of particles and iodine from the containment atmosphere. Furthermore, they find application also in other energy-engineering contexts. Through the European PASSAM Project, several mitigation systems for severe accidents in nuclear power plants are studied, among which the high pressure spray systems with work package leader Ricerca sul Sistema Energetico – RSE Spa. This dissertation work has been developed at RSE and it has a twofold objective: to test through an experimental campaign the capability of high pressure sprays to capture particles; to develop a simplified spray model for particle capture that simulates the evolution of the droplet diameter distribution, the evolution of the droplet and air velocities and the evolution of the particle concentration that allows the calculation of a decontamination factor. To obtain the first objective, the facility dedicated to the studies has been equipped with a high pressure spray and with the specific instrumentation. Through the collection of experimental data, a decontamination factor has been evaluated to analyse the influence of the injection pressure, the particle diameter and the initial concentration. To obtain the second objective, studies on the theory of sprays and particle capture have been performed and the developed simplified model has been validated on the basis of the experimental results. The model can be implemented in simulation codes for severe accident in nuclear power plant.

Gli spray ad acqua sono ampiamente installati nei reattori ad acqua leggera come sistemi di sicurezza. In caso di una fuoriuscita accidentale o controllata di refrigerante dal sistema di raffreddamento del reattore, il vapore prodotto condensa sulle gocce dello spray depressurizzando il contenimento, quindi evitando rotture a quest’ultimo e perdite verso l’esterno. In caso di un incidente grave in una centrale nucleare, gli spray sono in grado di rimuovere significativamente il particolato e i composti dello iodio dall’atmosfera all’interno del contenimento. Inoltre questi sistemi trovano applicazione anche in altri contesti energetico-ingegneristici. Attraverso il progetto europeo PASSAM, vengono studiati diversi sistemi di mitigazione per incidenti gravi in centrali nucleari, tra cui i sistemi spray ad alta pressione con work package leader Ricerca sul Sistema Energetico – RSE Spa. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato presso RSE ed ha un duplice obiettivo: testare attraverso una campagna sperimentale la capacità degli spray ad alta pressione di catturare il particolato; sviluppare un modello spray semplificato per la cattura del particolato che simuli l’evoluzione della distribuzione dei diametri delle gocce, l’evoluzione della velocità delle gocce e dell’aria e l’evoluzione della concentrazione del particolato che permette di calcolare un fattore di decontaminazione. Per ottenere il primo obiettivo, nell’impianto dedicato per questi studi è stato installato un sistema spray ad alta pressione e la strumentazione specifica. I dati raccolti dai test sperimentali sono stati utilizzati per la determinazione del fattore di decontaminazione che permette di studiare l’influenza della pressione di iniezione, del diametro del particolato e della concentrazione iniziale. Per ottenere il secondo obiettivo, sono stati svolti studi sulla teoria degli spray e della cattura del particolato. Il modello semplificato sviluppato è stato validato sulla base dei risultati sperimentali ottenuti. Il modello può essere implementato in codici di simulazione per incidenti gravi in centrali nucleari.