Jet fragmentation models review, with focus on SAMPSON code numerical investigation against FARO L-14 experiment

Following Fukushima severe accident, extensive investigation of event progression was needed to understand underlying phenomena, also employing useful tools such as nuclear severe accident computer codes including ASTEC, MELCOR, MAAP and SAMPSON. The focus of this dissertation relies on the latter, involving a numerical investigation of jet fragmentation model implemented in the code in order to explain pressurization peaks observed during Fukushima accident after core meltdown. Jet fragmentation mechanism is a fundamental event in the framework of fuel-coolant interaction: many studies were conducted to address this issue, focusing on several phenomena involved. Main effects include hydrodynamic and thermal effects, the former regarding Rayleigh-Taylor instabilities at jet leading edge and Kelvin-Helmholtz instabilities at jet column surface, whilst the latter includes boiling effects involving vapor film development at the fuel-coolant interface, internal pressurization effects concerning coolant entrapment in the molten phase and solidification effects during cooling due to thermal stresses. A complete agreement on one definite model, of which Epstein-Fauske and Kim-Corradini are the most accredited ones, has not been reached because of the complexity of the phenomena. Many experiments were performed in order to evaluate models’ validity, among which FARO L-14 experiment accomplished at JRC Ispra was selected in order to achieve a numerical investigation of SAMPSON jet fragmentation model, involving DCA and THA modules. Implementation of FARO geometry and experimental conditions were accomplished, followed by DCA and THA stand-alone analysis and coupling essential steps, leading to jet fragmentation model analysis. Unluckily the implemented model was inconsistent with respect to the one presented in the manual: a trivial implementation of the manual model was carried out, leading to a pressure underestimation. A more complex implementation strategy was proposed and fulfilled, leading to a slight overestimation of pressure, coherent with the hypothesis initially made. Further developments may take advantage of implementation improvement, considering essential jet breakup length parameter, as well as integration of more complex models describing crucial phenomena i.e., Kelvin-Helmholtz instabilities, such as the already validated one included in VESUVIUS steam explosions dedicated code.

A seguito dell’incidente di Fukushima, è stata necessaria un'ampia indagine sulla progressione dell’evento per comprendere i fenomeni coinvolti, utilizzando strumenti come i codici informatici per gli incidenti nucleari gravi, tra cui ASTEC, MELCOR, MAAP e SAMPSON. Il focus di questa tesi si basa su quest'ultimo, coinvolgendo un'indagine numerica del modello di frammentazione del getto implementato nel codice, al fine di spiegare i picchi di pressurizzazione osservati durante l'incidente di Fukushima dopo la fusione del nocciolo. Il meccanismo di frammentazione è un fenomeno fondamentale durante l'interazione combustibile-refrigerante: molti studi sono stati condotti per affrontare questo problema, concentrandosi sui diversi fenomeni coinvolti. Gli effetti principali includono quelli idrodinamici e termici, i primi riguardanti le instabilità di Rayleigh-Taylor sulla testa del getto e le instabilità di Kelvin-Helmholtz sulla superficie laterale del getto, mentre i secondi includono effetti di ebollizione che coinvolgono lo sviluppo di un film di vapore all'interfaccia combustibile-refrigerante, effetti di pressurizzazione interna che riguardano l'intrappolamento del refrigerante nella fase fusa, ed effetti di solidificazione dovuti a stress termici. Un accordo su un modello unico, tra cui Epstein-Fauske e Kim-Corradini sono i più accreditati, non è stato raggiunto a causa della complessità del fenomeno. Molti esperimenti sono stati eseguiti per valutare la validità dei modelli, tra cui l'esperimento FARO L-14 realizzato al JRC di Ispra, selezionato per lo studio sul modello di frammentazione SAMPSON coinvolgendo i moduli DCA e THA. L'implementazione della geometria e delle condizioni sperimentali di FARO sono state realizzate, seguite dalle fasi di singola analisi e accoppiamento di DCA e THA, portando all'analisi del modello di frammentazione. Il modello implementato è risultato incoerente rispetto a quello presentato nel manuale: una banale implementazione è stata effettuata, portando ad una sottostima della pressione. Una strategia di implementazione più complessa è stata proposta e realizzata, portando ad una leggera sovrastima della pressione, coerente con le ipotesi fatte. Ulteriori sviluppi trarranno vantaggio da migliorie di implementazione, considerando la lunghezza di rottura del getto, così come l'integrazione di modelli più complessi che descrivono fenomeni cruciali come le instabilità di Kelvin-Helmholtz, come ad esempio quello già validato ed incluso nel codice VESUVIUS dedicato alle esplosioni di vapore.