Thermal Hydraulics Aspects of Liquid Metal Cooled Nuclear Reactors

Front Cover......Page 1
Thermal Hydraulics Aspects of Liquid Metal Cooled Nuclear Reactors......Page 4
Copyright......Page 5
Contents......Page 6
Contributors......Page 12
Foreword......Page 16
Preface......Page 18
Nomenclature......Page 20
 1.1. Nuclear energy and fast reactors......Page 26
 1.3. Short history of liquid metal reactors......Page 27
 1.4. Benefits and drawbacks of liquid metals as coolants......Page 29
 1.5. European liquid metal reactor designs......Page 30
  1.5.1. ASTRID (Fig. 1.2)......Page 31
   1.5.1.3. Description of the safety concept......Page 32
  1.5.2. ALFRED......Page 33
   1.5.2.2. Description of the primary cooling system......Page 34
  1.5.3. MYRRHA......Page 35
   1.5.3.2. Description of the primary cooling system......Page 36
  1.5.4. SEALER......Page 37
   1.5.4.1. Introduction......Page 38
 1.6. Guidance......Page 39
 References......Page 40
 2.2. Identification......Page 42
  2.4.1. Basic phenomena......Page 44
  2.4.2. Core thermal hydraulics......Page 47
  2.4.3. Pool thermal hydraulics......Page 51
  2.4.4. System thermal hydraulics......Page 57
  2.4.5. Guidelines......Page 62
 References......Page 64
 Further reading......Page 68
Chapter 3: Thermal-hydraulic experiments with liquid metals-Introduction......Page 70
 References......Page 72
  3.1.1. Introduction......Page 74
  3.1.2. Scaling and theory......Page 75
   3.1.2.1. Forced convection for pool-type investigation......Page 76
   3.1.2.2. Natural convection for pool-type investigation......Page 77
    3.1.2.4.1. Laser Doppler anemometry......Page 78
     Irregular sampling......Page 80
    3.1.2.4.2. Particle image velocimetry......Page 81
     Illumination requirements......Page 82
     Image requirements......Page 83
    3.1.2.4.3. Laser-induced fluorescence......Page 84
    3.1.2.4.4. Refractive index matching techniques......Page 85
     Matching fluid with solid (F2S)......Page 86
     Matching solid with fluid (S2F)......Page 87
     Absorption coefficient......Page 88
     Thin walls......Page 89
  3.1.3. Fuel bundle experiments......Page 90
   3.1.3.1. Mean flow and turbulence characteristics......Page 91
   3.1.3.3. Periodic flow pulsations......Page 92
   3.1.3.4. Fluid-structure interaction......Page 94
   3.1.3.5. Effect of wire wraps......Page 95
  3.1.4. Pool-type experiments......Page 96
   3.1.4.1. Scaling for pool-type experiments......Page 99
   3.1.4.2. MYRRHABELLE water model......Page 100
   3.1.4.3. PIV measurements in MYRRHABELLE......Page 101
    3.1.4.3.2. Natural convection......Page 102
  References......Page 104
  Further reading......Page 107
  3.2.1. Introduction......Page 108
   3.2.1.2. Fuel assembly thermal-fluid-dynamic......Page 110
  3.2.2. HLM large pool design......Page 111
  3.2.4. Core simulator design......Page 113
   3.2.4.2. Numerical set-up......Page 115
   3.2.4.3. CFD results......Page 116
  3.2.5. Steam generator design......Page 119
   3.2.5.1. RELAP5 modeling......Page 122
   3.2.5.2. Results......Page 124
  3.2.6. Test section pressure drop......Page 126
  3.2.7. Final remarks......Page 128
  References......Page 129
  3.3.1. Introduction......Page 132
   3.3.1.2. Special features of liquid metals and their impact on the facilities......Page 133
    3.3.1.2.2. Chemical interactions......Page 134
    3.3.1.2.3. Corrosion (compatibility with solid materials)......Page 135
    3.3.2.1.1. Pumping devices......Page 136
    3.3.2.1.2. Heat exchangers......Page 137
   3.3.2.2. Instrumentation......Page 138
    3.3.2.2.1. Flow rate......Page 139
    3.3.2.2.2. Differential pressure......Page 140
   3.3.2.3. Some examples at KIT: The THEADES (LBE) and KASOLA (Na) loops......Page 141
   3.3.3.1. Reproducible operating conditions......Page 143
   3.3.3.2. In-situ calibration of instruments and data acquisition chain......Page 144
   3.3.3.3. Some examples at KIT: Rod bundles (LBE), backward-facing step (Na)......Page 145
  3.3.4. Conclusions......Page 148
  References......Page 149
 Chapter 3.4: Operational aspects of experimental liquid metal facilities......Page 152
  3.4.1. Preoxidation......Page 154
  3.4.2. LBE melting and first time filling......Page 155
  3.4.3. Gas conditioning sequence (inerting)......Page 156
  3.4.5. LBE filling......Page 157
  3.4.6. Pump startup and shutdown......Page 159
  3.4.8. Draining......Page 160
   3.4.9.1. LBE solidification: Valve operation/actuation......Page 162
   3.4.9.2. Pressure surge......Page 163
   3.4.9.3. Instrumentation......Page 164
   3.4.9.4. System performance monitoring......Page 165
  3.4.10. Cleaning of the facility/test section......Page 167
  3.4.11. Summary......Page 169
  References......Page 170
  3.5.1. Introduction......Page 172
  3.5.2. Ultrasound-based methods......Page 173
  3.5.3. Inductive measurement techniques......Page 176
  References......Page 179
 4.1. Convective heat transfer with liquid metals......Page 182
  4.1.2. Convective heat transfer correlations......Page 184
 4.2. Hydrodynamic model for STH codes......Page 187
 4.3. Thermodynamic properties for the liquid metals to be implemented in a STH code......Page 190
  4.3.1. Liquid phase......Page 191
  4.3.2. Vapor phase......Page 192
  4.4.1. RELAP5/Mod3.3 modified code......Page 193
   4.4.2.1. Facility description......Page 194
   4.4.2.2. NACIE RELAP5 model and application: Isothermal and ULOF transient......Page 199
  4.5.1. CATHARE code......Page 205
  4.5.3. SPECTRA code......Page 206
  4.5.4. SAS4A/SASSYS-1 code......Page 207
 References......Page 208
 Further reading......Page 209
Chapter 5: Subchannel analysis for LMR......Page 210
  5.1.1. Structure of LMR fuel assemblies......Page 211
  5.1.3. Tasks of reactor core thermal hydraulic analysis......Page 214
 5.2. SCTH analysis......Page 216
  5.2.1. Basic equations......Page 217
   5.2.1.2. Momentum conservation......Page 218
   5.2.1.3. Energy conservation......Page 219
   5.2.2.1. Pressure drop......Page 220
   5.2.2.2. Heat transfer......Page 221
   5.2.2.3. Transversal exchange......Page 223
    Flow sweeping......Page 224
    Turbulent mixing......Page 226
    Large scale oscillation......Page 229
   5.2.2.4. Local wall temperature distribution......Page 230
  5.2.3. Examples......Page 233
 References......Page 235
 Further reading......Page 236
 6.1. Direct numerical simulation......Page 238
 6.2. Large-eddy simulation......Page 239
 6.3. Reynolds-averaged Navier Stokes equations......Page 240
 References......Page 242
   6.1.1.1.1. The Navier-Stokes equations......Page 244
   6.1.1.1.2. The scalar transport equation......Page 245
   6.1.1.1.3. Length and time scales in turbulent flows......Page 247
  6.1.1.2. Direct numerical simulation techniques......Page 249
   6.1.1.3.3. Outflow open boundary conditions......Page 252
   6.1.1.3.4. Boundary conditions for the thermal field......Page 253
   6.1.1.3.6. Statistical treatment of numerical solutions......Page 254
  6.1.1.4. Results: Channel flow......Page 255
  6.1.1.5. Results: Nonplanar geometries......Page 261
  6.1.1.6. Conclusions......Page 265
  References......Page 266
  6.1.2.1. Introduction......Page 270
  6.1.2.2. LES equations......Page 273
   6.1.2.2.1. Governing equations......Page 274
    6.1.2.2.3.1. Practical LES equation set......Page 275
   6.1.2.2.4. Heat transfer in LES......Page 277
   6.1.2.3.1. Eddy-viscosity models......Page 278
    6.1.2.3.1.2. The WALE model......Page 279
    6.1.2.3.2.1. The approach......Page 280
    6.1.2.3.2.2. The dynamic Smagorinsky model......Page 282
    6.1.2.3.3.1. The approach......Page 283
    6.1.2.3.4.1. The Reynolds analogy and the eddy heat diffusivity approach......Page 284
    6.1.2.3.4.2. The case of liquid metals......Page 285
   6.1.2.4.1. The turbulent channel flow......Page 287
   6.1.2.4.2. Validation of the V-LES/T-DNS approach......Page 289
   6.1.2.4.3. V-LES/T-DNS at higher Reynolds......Page 290
  6.1.2.5. Concluding remarks......Page 294
  References......Page 295
 Chapter 6.2.1: Turbulent heat transport......Page 298
  6.2.1.1. Understanding the peculiarities of heat transfer modeling in turbulent liquid metal flows......Page 300
   6.2.1.1.1. Incomplete modeling of turbulent heat flux......Page 301
   6.2.1.1.3. Time scale ratio......Page 302
  6.2.1.2. Modeling of turbulent heat transfer......Page 303
   6.2.1.2.1. Second-moment closures......Page 304
    6.2.1.2.2.1. Explicit AHFM......Page 305
     AHFM-2000 ()......Page 306
     AHFM-2005 ()......Page 307
     AHFM-NRG ()......Page 308
   6.2.1.2.3. Generalized gradient diffusion hypothesis......Page 310
   6.2.1.2.4. Simple gradient diffusion hypothesis......Page 311
  6.2.1.3. Summary......Page 313
  References......Page 314
  Further reading......Page 317
  6.2.2.1. Introduction......Page 318
   6.2.2.2.2. Methodology......Page 319
   6.2.2.2.3. Fluid dynamics in rod bundles......Page 320
   6.2.2.2.4. Flow-induced vibration by large-scale periodic vortices......Page 324
   6.2.2.3.1. Description of the experiment......Page 326
   6.2.2.3.2. Methodology......Page 327
   6.2.2.3.3. Dynamics in stable regime......Page 328
   6.2.2.3.4. The prediction of divergence......Page 329
   6.2.2.3.5. The post-divergence regime......Page 332
  Acknowledgment......Page 333
  References......Page 334
  6.2.3.1. Introduction......Page 336
  6.2.3.2. Experiments and correlations......Page 338
   6.2.3.3.1. CFD benchmarking......Page 340
   6.2.3.3.2. Reduced resolution modeling......Page 346
   6.2.3.3.3. Deformations......Page 350
  6.2.3.4. Simulation of accidental conditions......Page 351
   6.2.3.4.1. Blockages due to particles......Page 352
   6.2.3.4.2. Blockages due to lost objects or migrating parts......Page 355
   6.2.3.4.3. Inter-wrapper flow......Page 356
  6.2.3.5. CFD and chemical reactions simulation......Page 357
  6.2.3.6. Summary......Page 358
  References......Page 360
  Further reading......Page 365
 Chapter 6.2.4: (U)RANS pool thermal hydraulics......Page 366
  6.2.4.1. Identification of the relevant physics......Page 367
   6.2.4.2.1. Diversification and redundancy strategy......Page 368
   6.2.4.2.2. Gross numbers-order of magnitude analysis......Page 369
    6.2.4.2.3.1. Meshing in STAR-CCM+......Page 370
    6.2.4.2.3.2. Meshing in OpenFOAM......Page 371
   6.2.4.2.4. Physical modeling considerations......Page 372
   6.2.4.2.6. Global control......Page 373
   6.2.4.2.7. Geometrical macroscopic simplifications......Page 374
   6.2.4.2.9. Porous media approach in the core......Page 375
   6.2.4.2.10. Porous media approach in the primary heat exchangers......Page 377
   6.2.4.3.1. General flow field......Page 378
  6.2.4.4. Closing thoughts......Page 382
  References......Page 383
  7.1.1. Modeling scales in reactor thermal-hydraulics......Page 386
  7.1.2. Interactions between scales......Page 387
  7.1.3. Simulating multi-scale phenomena......Page 389
  7.2.1. Domain decomposition versus domain overlapping......Page 391
  7.2.2. Coupling at hydraulic boundaries......Page 393
  7.2.3. Coupling at thermal boundaries......Page 396
  7.2.4. Time schemes and internal iterations......Page 398
  7.2.5. Implementation considerations......Page 399
 7.3. Development and validation of multi-scale approaches......Page 400
  7.3.2. Small and intermediate-scale validation......Page 401
  7.3.3. Large-scale and integral validation......Page 403
 References......Page 406
 8.1. Introduction......Page 408
 8.2. Safety authorities requirements......Page 409
  8.3.1. Functional tests......Page 412
 8.4. Validation......Page 413
  8.4.1. PIRT (list of cases)......Page 415
  8.4.2. Choice of an appropriate computational scheme......Page 416
  8.4.4. Experimental database for validation......Page 417
  8.4.5. The validation process......Page 418
  8.4.6. Coverage matrix......Page 421
  8.5.1. Uncertainty analysis......Page 422
  8.5.2. Sensitivity analysis......Page 424
  8.5.3. Segregated treatment of aleatory and epistemic variables......Page 425
  8.5.5. Tools for uncertainty and sensitivity analysis......Page 426
 8.7. Conclusion......Page 428
 References......Page 429
 9.1. Introduction......Page 432
 9.2. Preprocessing......Page 435
 9.3. Simulation......Page 438
 9.4. Turbulence......Page 439
 9.5. Postprocessing......Page 441
 References......Page 442
 10.1. Conclusions......Page 446
 10.2. Outlook......Page 448
Index......Page 450
Back Cover......Page 464