Development of MELCOR v2.2 input for the simulation of QUENCH-06 experiment

Purpose of the current work is the development of the MELCOR v2.2 input of the QUENCH-06 test facility for the validation of Core Heat up and Degradation embedded models. Having as reference the past QUENCH analyses available on public technical literature and experimental data deployed by KIT, the author develops from scratch the input deck adopting several correlations and up-to-date features such to make it potentially the state of art MELCOR tool for the description of any QUENCH series experiment. Characteristics of QUENCH-06 MELCOR Input is a nodalization that allows for a fine representation of test active region, a precise definition of boundary conditions and ultimately a detailed thermal insulation system. The accuracy of the final configuration is qualitative and quantitative assessed by comparing some predicted Figures of Merit (such as hydrogen generation, maximum cladding temperature and corrosion profiles), selected on engineering judgement and on physical importance, against experimental measurements. In addition, application of the input is stretched to include in the calculations a sensitivity analysis to test the behavior of several Zircaloy-Steam oxidation correlations. The results of Reference input is a good overall representation of the test phenomenologies. Until fast water preinjection, i.e., preoxidation phase and power ramping, predicted hydrogen production is well estimated, as the bundle temperatures and the corrosion profiles. However, current efforts are still not able to reduce an overestimated radial temperature gradient. Nonetheless, Fast Fourier Based Transform Method (FFTBM) analysis estimates a good accuracy of the input result at these stages. Between the two injections, the sudden partial re-evaporation of liquid water is hardly detected by the simulation, and therefore further studies are needed to address such phenomenon. As concern the outcome of the sensitivity analysis, coupling Cathcart-Pawel formulation in low temperature regime and Volchek correlation when surface temperature becomes higher than 1900 K delivers results even more closer to the experimental trends than the reference calculation, and hence it is suggested to future users to adopt this description in oncoming simulations.

L’obiettivo del seguente lavoro di tesi è la creazione di un input dell’impianto QUENCH-06 per il codice MELCOR v2.2, nell’ottica di validarne i modelli di Riscaldamento del Nocciolo e della Degradazione. Partendo dalla raccolta dei dati sperimentali forniti dal KIT, e analizzando i precedenti lavori svolti su QUENCH-06, l’input viene sviluppato ex novo, adottando modelli, correlazioni e funzionalità aggiornate tali da renderlo potenzialmente il riferimento da adottare nel codice MELCOR per la simulazione di un qualsiasi esperimento della serie QUENCH. Le caratteristiche dell’input sono una nodalizzazione che permette una fine descrizione della regione attiva del test, un preciso settaggio delle condizioni al contorno e infine un dettagliato sistema di isolamento termico. L’accuratezza del modello viene valutata sia qualitativamente che quantitativamente attraverso il confronto di alcune Figure di Merito (quali produzione di idrogeno, massima temperatura di guaina, profilo di corrosione), selezionate sulla base di giudizio ingegneristico e importanza fisica, rispetto ai dati sperimentali. In aggiunta, l’applicazione dell’input viene estesa al fine di stabilire una analisi di sensitività atta a testare il comportamento dello strumento rispetto ad alcune correlazioni di ossidazione Zircaloy-Acqua. Il modello Reference fornisce dei risultati che ben rappresentano le fenomenologie che si verificano in QUENCH-06. Nella fase di preossidazione e di riscaldamento, cioè fino all’iniezione veloce, la produzione cumulata di idrogeno, le temperature superficiali delle strutture e i profili di corrosione sono predetti in linea con le misure sperimentali. Sfortunatamente, le modifiche fin qui introdotte non sono riuscite a risolvere la sovrastima del gradiente di temperatura radiale. Ciononostante, l’analisi FFBTM della accuratezza quantitativa delle previsioni indica un buon risultato fino a questo stadio. Nella fase tra le due iniezioni, il modello non riesce a descrivere la veloce ri-evaporazione parziale dell’acqua, fenomeno per il quale sono previsti studi futuri al fine di riadattare e migliorare l’input. L'analisi di sensitività invece sottolinea come l’adozione delle correlazioni di ossidazione di Cathcart-Pawel nel regime di bassa temperatura, e della Volchek per temperature superficiali maggiori di 1900 K producano risultati ancora più accurati della formulazione di default, e pertanto ne è suggerita l’adozione ai futuri utilizzatori dell’input.