Experimental study and simulation of metallic melt infiltration into porous media

Tid: Ti 2025-06-10 kl 09.00

Plats: FA31, Roslagstullsbacken 21, Stockholm

Språk: Engelska

Ämnesområde: Fysik, Kärnenergiteknik

Respondent: Liang Chen , Kärnvetenskap och kärnteknik

Opponent: Christophe Journeau, French Alternative Energies, Atomic Energy Commission (CEA)

Handledare: Sevostian Bechta, Kärnvetenskap och kärnteknik; Weimin Ma, Kärnkraftssäkerhet, Kärnvetenskap och kärnteknik; Andrei A. Komlev, Kärnkraftssäkerhet, Kärnvetenskap och kärnteknik

Exportera till kalender

QC 2025-05-06

Abstract

Att modellera koriumsmältinfiltration i porösa brusbädd är kritiskt för att förutsäga och mildra svåra haverier i kärnkraftverk. En omfattande förståelse av smältinfiltration kräver både experimentella och numeriska metoder.

Experimentellt genomförs två huvudstudier: Den ena kvantifierar vätningen hos olika ytor av metalliska smältor, medan den andra undersöker endimensionell smältinfiltrationsdynamik i porösa medier sammansatta av motsvarande material (MRSPOD-1D). Resultaten indikerar att vätbarheten signifikant påverkar infiltrationsdynamiken, med vätbara ytor som underlättar initial infiltration och icke vätbara ytor som hindrar den.

Numeriskt används ett flerskaligt modelleringsramverk, som spänner från en upplösning i skalan av gränssnittet mellan porerna och fluiden, till en rymdgenomsnittlig metod i makroskopisk skala. Den numeriska studien av denna avhandling fokuserar först på att utveckla och validera en numerisk modell i porskala som simulerar förflyttningen av smält metall med metoder som spårar gränssnittet. Modellen integrerar metoden Level-Set (LS) för att spåra metall-gas-gränssnittet och entalpi-porositetsmetoden för att ta hänsyn till fasförändringar. Validering utförs med hjälp av REMCOD-E8- och REMCOD-E9-experiment.

Med utgångspunkt i de experimentella fynden och fynden i porskalan utvecklas en makroskopisk modell genom att koppla LS-metoden med Brinkman-ekvationerna för att approximera smältinfiltrationsdynamiken. Modellen valideras gentemot MRSPOD-1D och REMCOD-experiment och utvärderas vidare genom jämförelser med simuleringar i porskala.

Den flerskaliga modelleringsmetoden avslöjar det komplexa samspelet mellan partikelytornas vätbarhet, porstorlek, smältans tryckhöjd, smältans fallhöjd, smältöverhettning och partikelbäddtemperatur på dynamiken i smältinfiltrationen: (1) förbättrad ytvätningsförmåga främjar konsekvent smältinfiltration och värmeöverföring över alla Bondtal, även om den också kan orsaka tidig förstelning, särskilt vid låga Bondtal; (2) smältinfiltration blir mer känslig för vätningsförmågan när porstorleken minskar, och inträffar i icke-vätbara medier endast när smälttrycket övervinner kapillärmotståndet, medan denna känslighet minskar när porstorleken ökar; (3) vid höga Bondtal beror infiltrationshastigheterna starkt på det initiala smälttryckspelaren, vilket driver snabbare infiltration tills smältlagret ovanpå bädden är uttömt; (4) förhöjda initiala temperaturer i partikelbädden och smältans överhettning främjar infiltrationen, medan lägre temperaturer kan leda till stelning som avbryter processen, vilket tyder på att ytterligare värmekällor i reaktorrelevanta scenarier skulle kunna främja omsmältning och underlätta djupare infiltration; (5) porskalesimuleringar fångar infiltrationsdynamiken mer exakt när förstelning inträffar, medan både porskale- och makroskopiska modeller ger jämförbara resultat i högtemperaturfall utan stelning.

Denna avhandling främjar förståelsen av smältinfiltrationsmekanismer och tillhandahåller validerade verktyg för modellering av svåra haverier, som är avgörande för att förbättra strategier för hantering av svåra haverier.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363163

Till kalendern

Utbildning

Forskning

Samverkan

Om KTH

Bibliotek

Experimental study and simulation of metallic melt infiltration into porous media

Abstract

Kontakt