CFD investigation of melt spreading in the PULiMS-E10 experiment

The analysis of severe accidents in light water reactors requires a detailed understanding of the interaction between molten core material and coolant. In this context, underwater melt spreading plays a key role in determining the final debris bed geometry. The present thesis investigates the PULiMS-E10 experiment, performed at KTH, through a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation developed in Simcenter STAR-CCM+. The numerical model aims to reproduce the main hydrodynamic features of the experiment, with particular focus on melt release, underwater propagation, spreading over the bottom plate and accumulation. The water--melt system is described using a transient 3D Volume of Fluid approach. Since solving a single mixture energy equation led to an undesired cooling of the melt during the falling stage, the thermal field is instead described by two transport equations for the phase temperatures, one for the melt and one for the water, while the vapour phase is neglected. A simplified melt--water heat exchange is activated only below a prescribed depth in the pool, to reproduce, in an approximate way, the insulating effect of film boiling during the melt fall. The progressive increase in melt viscosity due to cooling and partial solidification is represented through the Ramacciotti model, in which the apparent viscosity depends exponentially on an equivalent solid fraction obtained from the melt temperature. The numerical results are post-processed in terms of melt front propagation and are compared with the available experimental data from the PULiMS-E10 test. The work provides an assessment of the capability and limitations of a simplified CFD approach for underwater melt spreading simulations. Although the model does not directly resolve boiling, fragmentation, crust formation, or full thermal solidification, it offers a computationally efficient framework for analysing the dominant spreading dynamics and the influence of cooling-induced viscosity increase on the final melt distribution.

L’analisi dei gravi incidenti nei reattori ad acqua leggera richiede una comprensione dettagliata dell’interazione tra il materiale fuso del nocciolo (melt) e il refrigerante. In questo contesto, il propagarsi del melt in acqua svolge un ruolo fondamentale nel determinare la geometria finale del letto di detriti. La presente tesi analizza l’esperimento PULiMS-E10, condotto presso il KTH, attraverso una simulazione tridimensionale di fluidodinamica computazionale (CFD) sviluppata in Simcenter STAR-CCM+. Il modello numerico riproduce le principali caratteristiche idrodinamiche dell’esperimento, con particolare attenzione al rilascio del melt, alla propagazione sott’acqua, alla dispersione sulla piastra di fondo e all’accumulo del materiale. Il sistema acqua–melt è descritto mediante un approccio VOF 3D e transitorio. Poiché la soluzione di un’unica equazione dell’energia per la miscela portava a un raffreddamento indesiderato del melt durante la fase di caduta, il campo termico è invece descritto da due equazioni di trasporto per le temperature delle due fasi, una per il melt e una per l’acqua, trascurando la fase vapore. Uno scambio termico semplificato tra melt e acqua è attivato solo al di sotto di una profondità prestabilita, così da riprodurre in modo approssimato l’effetto isolante dell’ebollizione a film durante la caduta del melt. L’aumento progressivo della viscosità dovuto al raffreddamento e alla parziale solidificazione è rappresentato attraverso il modello di Ramacciotti, nel quale la viscosità apparente dipende esponenzialmente da una frazione solida equivalente ottenuta dalla temperatura del melt. I risultati numerici sono analizzati in termini di propagazione del fronte e confrontati con i dati sperimentali del test PULiMS-E10. Sebbene il modello non risolva direttamente ebollizione, frammentazione, formazione della crosta o solidificazione termica completa, esso offre una soluzione computazionalmente efficiente per analizzare la dinamica dominante della propagazione e l’influenza dell’aumento di viscosità sulla distribuzione finale del melt.