Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6749

Investigations of the Appropriateness of RELAP5/MOD3 for the Safety Evaluation of an Innovative Reactor Operated at Thermodynamically Supercritical Conditions

Víctor Hugo Sánchez-Espinoza, Wolfgang Hering

Abstract
Abstract

The high performance light water reactor (HPLWR) project is being carried out within the 5. European Framework Programme (Contract N° FIKI-CT-2000-00033). The main objective of this project is to evaluate the technological merits and economics of a high efficiency light water reactor (LWR) operating at thermodynamically supercritical conditions. One of the con-cepts developed by the Tokyo University, the high temperature supercritical light water reac-tor (SCLWR-H), was chosen as the reference plant for the HPLWR-project.

A major activity of the HPLWR-project is the assessment of the appropriateness of RELAP5 -developed for light water reactors- to perform steady-state and safety analysis of the refer-ence plant.

The investigation of such reactor concepts whose operating conditions are far beyond the operation range of current light water reactors, is very challenging for codes like RELAP5.

Since RELAP5 was not developed for supercritical water conditions and therefore not vali-dated in this domain, the investigations to check the appropriateness of RELAP5 are focused on the following areas:

·           Thermo-physical properties of water in the supercritical region.

·           Heat transfer mechanisms for wall/supercritical water and corresponding correlations.

·            Development of a simplified plant model for steady state and transient analysis of the reference plant.

·            Exploratory analysis of selected postulated transients and accidents.

Despite the preliminary character of this work, the investigations performed for the reference design have demonstrated that RELAP5 is capable to qualitatively predict the plant behavior under both normal operation and different accidental conditions. But there are still problems in the prediction of the thermo-physical properties around the critical point in case of depres-surization transients.

In this report, the results obtained in each area will be presented and discussed in detail. The additional work needed for both further code improvement and assessment of the final HPLWR-plant design is listed.

Untersuchungen zur Eignung von RELAP5/MOD3 für die Sicherheitsbewertung eines unter thermodynamisch überkritischen Bedingungen arbeitenden innovativen Reaktors

Zusammenfassung
Im High Performance Light Water Reactor (HPLWR) Projekt des 5. Europäischen Rahmen-programms (Contract N° FIKI-CT-2000-00033) werden die technischen und ökonomischen Vorzüge des mit thermodynamisch überkritischen Bedingungen und mit hohem Wirkungs-grad arbeitenden Leichtwasserreaktors untersucht. Von den vielen Konzepten, welche die Tokio Universität entwickelt hat, wurde der überkritische Leichtwasserreaktor mit hoher Kühlmittelaustrittstemperatur (SCLWR-H) als Referenzanlage im HPLWR-Projekt ausge-wählt.

Einer der Schwerpunkte innerhalb des HPLWR-Projekts ist es, die Eignung des Thermohyd-raulik-Programms RELAP5, welches für herkömmliche Leichtwasserreaktoren entwickelt wurde, als Analysewerkzeug zur Sicherheitsbeurteilung der Referenzanlage zu untersuchen. Der Referenzreaktor wird mit thermodynamisch überkritischem Wasser bei einem Betriebs-druck von 25 MPa gekühlt und moderiert.

Die Analyse solcher Reaktorkonzepte, deren Betriebsparameter sich sehr von denen her-kömmlicher Leichtwasserreaktoren unterscheiden, stellt besondere Herausforderungen für LWR-codes dar. Da RELAP5 nicht für die Simulation von mit thermodynamisch überkriti-schen Bedingungen arbeitenden Reaktoranlagen entwickelt wurde, konzentrieren sich diese RELAP5-Untersuchungen auf folgende Themenkreise:

·           Thermo-physikalische Eigenschaften von überkritischem Wasser.

·            Wärmeübergangsmechanismen für Wand/überkritisches Wasser und deren Korrelatio-nen.

·            Entwicklung eines vereinfachten Modells der Referenzanlage für die Analyse des stati-onären Betriebszustandes, von Transienten und Störfällen.

·            Vorbereitende Analysen ausgewählter, postulierter Transienten und Störfälle.

Trotz des vorläufigen Charakters dieser Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Verhalten der Referenzanlage sowohl im Normalbetrieb als auch unter Störfallbedingungen von RELAP5 qualitativ gut beschrieben werden kann.

Dennoch traten erhebliche Probleme bei der Simulation von Transienten mit Druckentlastung wie z. B. Kühlmittelverluststörfälle auf, welche auf die Berechnung der thermo-physikalischen Eigenschaften von überkritischem Wasser in der Nähe des kritischen Punktes zurückzufüh-ren sind.

In diesem Bericht werden die erzielten Ergebnisse vorgestellt und in Detail diskutiert. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden zusammengefasst und Schlussfolgerungen für die weiterführenden Arbeiten gezogen.

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