Design of a buoyancy-driven pressurized thermal shock test case for nuclear energy application

Along the lifetime of a Nuclear Power Plant (NPP), Pressurized Thermal Shock (PTS) is one of the most dangerous scenarios that can affect the Reactor Pressure Vessel (RPV) integrity. The term PTS encompasses all those events that involve the rapid cooling of the vessel internal wall, of which the most critical one is the Emergency Core Cooling (ECC) injection during a Loss Of Coolant Accident (LOCA). The injected cold water mixing with the hotworking water produces thermal shocks at the solidwall of the vessel, that can put the solid walls under fatigue and can induce structural damages due to the presence of pre-existing material flaws. The traditional one-dimensional models, fail to reliably predict the complex three dimensional thermal mixing phenomena in the downcomer, that occurs during the ECC injection. Hence, Computational Fluid Dynamics (CFD) can bring real benefits in terms of more realistic and more predictive capabilities. However, an extensive validation programme is necessary, and in absence of experimental data, Direct Numerical Simulation (DNS) can serve as reference, because it is accurate enough to characterize completely all flow and heat transport phenomena involved. DNS, though, is also the most expensive approach, in terms of time, and usually it is not yet feasible to perform DNS for real life applications with the computational resources currently available. That is why the purpose of the project ongoing at the Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) is to provide aDNS database, for a simplified PTS configuration. A preliminary study is essential in order to simplify the real configuration, in order to make the problem reasonably simple for a DNS approach but, at the same time, remaining as realistic as possible to reproduce all the main features of the configuration considered. So the aim of this work is to study the turbulent mixing in the down-comer and the evolution of temperature field in both fluid and solid regions, and through a series of Reynolds Average Navier Stokes (RANS) calculations, much more flexible and less time consuming then DNS, to optimize geometry, boundary conditions, and fluid properties in order to meet the future constraints, and to describe accurately the physical phenomenon.

Lungo la vita utile di una centrale nucleare, il Pressurized Thermal Shock (PTS) è l’incidente più grave che può verificarsi all’interno del reattore nucleare. Sotto la definizione di PTS ricadono tutti quegli eventi che presentano un rapido raffreddamento delle pareti interne del reattore, tra tutti il più pericoloso è stato identificato nel Loss Of Coolant Accident (LOCA): quando il sistema di raffreddamento della centrale, per qualunque ragione, viene meno al suo scopo il sistema di Emergency Core Cooling (ECC) inietta acqua fredda sulle pareti del reattore. Il miscelamento della acqua fredda iniettata e il fluido di lavoro caldo, produce lo shock termico che può interagire con difetti pre-esistenti all’interno della parete e provocare una frattura attraverso la struttura. Lo studio di questo tipo di incidente, storicamente, era affidato a modelli monodimensionali che però fallivano nel predire correttamente un fenomeno così complesso come quello del PTS. Oggi, si propone di affrontare questo tipo di problema con un approccio diverso: la Computational Fluid Dynamics (CFD), che può portare a soluzioni più realistiche grazie alle migliori capacità preditive sui fenomeni tridimensionali. Per far si che l’analisi numerica possa essere considerata affidabile, però, è necessario un accurato programma di validazione, e in assenza di dati sperimentali le simulazioni del tipo Direct Numerical Simulation (DNS) potrebbero essere usate come riferimento. Le DNS oltre ad essere lo strumento CFD più accurato sono anche quello più "costoso" in termini di tempo ed hardware, per queste ragioni è necessario uno studio preliminare che semplifichi la reale configurazione del reattore ma che allo stesso tempo riesca amantenere una rappresentazione accurata del PTS. L’obbiettivo di questa tesi è proprio quello di preparare le basi per una simulazione DNS di un evento PTS semplificato, infatti attraverso una serie di simualzioniUnsteady Reynolds Average Navier Stokes (URANS), molto più flessibili e meno costose di una DNS, andremo ad ottimizzare la geometria del dominio del nostro "esperimento", le condizioni al contorno, le proprietà del fluido in modo tale da rispettare i limiti materiali della futura DNS, e tenendo a mente che la simulazione dovrà essere il più possibile coerente col fenomeno fisico.