Development of an AP1000 3D full containment model using an innovative approach

In order to make the reactor accident management independent from alternating current supply, Generation III+ reactors utilize passive mechanisms for their safety systems. A prominent type is the Westinghouse AP1000® reactor which Passive Containment Cooling System (PCS) uses the atmosphere as the ultimate heat sink for evacuating thermal energy from the containment. Additionally, the AP1000 design includes an In-containment Refueling Water Storage Tank (IRWST) that acts as a heat sink of the Passive Reactor Hear Removal Heat Exchanger (PRHR-HX) and as the water source for the long-term cooling phase. The performance of these systems is not only dependent on the thermo-hydraulic state of the Reactor Coolant System (RCS), but also the containment. Under certain circumstances the core cooling, by means of the PRHR, would be determined by the heat transfer between the PRHR HX and the IRWST, being the IRWST thermo-hydraulic state dependent on the containment thermo-hydraulic state. The accurate simulation of this phenomenology is complex and demands 3D models that integrate all the AP1000 containment safety systems and spaces, which has not been the case in the state of the art. Therefore, the goal of this thesis is the development of a detailed AP1000 3D full containment model that encompass the PCS and IRWST-PRHR detailed systems for its subsequent use on design basis accidents and severe accidents. In a first step, the IRWST-PRHR model development is described. The best modeling strategy is obtained after modeling a down-scaled experiment. With the obtained insights, a full-scaled IRWST model is generated. The proper simulation of thermal stratification, which is a safety-relevant phenomenon for the containment integrity, is proven and its influence on containment pressure is evaluated. This model is used to study the ADS steam injection during an SBLOCA accident. The importance of a proper nodalization is presented. Then, the PCS is modeled in GOTHIC taking the conservative hypothesis that no water is available from the Passive Containment Cooling Water Storage Tank (PCCWST). Due to its design characteristics different assumptions and simplifications were applied in this model. The model performance is tested against a steady state case and it was found that the modeling of natural convection of such complex geometry is not trivial. The modeling parameters should be studied carefully. In a third step, the AP1000 containment (SCV) is also modeled in 3D. A methodology for its construction in GOTHIC is described: a detailed CAD model is constructed, then it is simplified into simple geometry forms and finally it is implemented in the GOTHIC code. The several modeling assumptions for the correct compartmentalization are discussed and presented. Finally, the full containment model, containing all the previous developed models, is used for simulating two application cases: LBLOCA and SBLOCA. For each accident, different AP1000 approaches are used. In the case of the LBLOCA, only the SVC and the PCS are used as the IRWST does not play a significant role. In the case of the SBLOCA, the IRWST detailed model is implemented as the stratification of the pool may be relevant in the transient evolution. The results obtained from the application cases show that the AP1000 containment GOTHIC model could be used for simulating these kinds of accidents giving enough resolution to see the evolution of the different containment compartments. For that purpose it was needed to develop different isolated models of the IRWST, SCV or PCS in detail, in order to understand and simulate all the complex phenomena that may occur. The computational competitiveness of the model, together with its accuracy allowed to understand phenomena that have not be seen in any other AP1000 models. ----------RESUMEN---------- Para hacer que la gestion de los accidentes se independiente del suministro de corriente alterna los reactores nucleares de Generacion III+ utilizan mecanismos pasivos en sus sistemas de seguridad. Especificamente, el concepto de seguridad del reactor AP1000 se basa en el uso de estos sistemas. Entre estos se encuentra el PCS (Sistema de Refrigeracion Pasiva de la contencion), que usa la atmosfera exterior como sumidero ultimo de calor de la contencion. Ademas, entre otros sistemas, se encuentra el IRWST (tanque de agua de recarga en el interior de la contencion) que funciona como sumidero de calor del intercambiador de calor PRHR HX, ademas de servir como fuente de agua para la refrigeracion a largo plazo. El funcionamiento de estos sistemas es dependiente no solo de su propio estado termo-hidraulico, sino ademas del estado termo-hidraulico de la contencion. Bajo ciertas condiciones la refrigeracion del nucleo, que se realizaria mediante el intercambiador de calor PRHR, va a depender de la transferencia de calor desde el PRHR hacia el IRWST; cuyo estado termo-hidraulico depende a su vez del estado termo-hidraulico de la contencion. La simulacion de este tipo de fenomenologia es compleja y su correcto modelado exige el uso de herramientas 3D que integren los sistemas de seguridad de la contencion ademas de sus diferentes partes, hecho que, por el momento, no se ha visto reflejado en el actual estado del arte. El objetivo principal de esta tesis es la creacion de un modelo en 3D de la contencion del reactor AP1000 con el codigo GOTHIC, modelando el PCS e IRWST-PRHR de forma detallada para la simulacion de accidentes base de diseno y accidentes severos. En primer lugar, se describe la creacion del modelo IRWST-PRHR. Su desarrollo se ha realizado a partir de la simulacion con GOTHIC de un experimento a escala, a partir del cual se obtienen las mejores estrategias de simulacion y se aplican a un modelo a escala real del IRWST. Despues, se comprueba que es posible simular estratificacion termica en el tanque y su influencia en la presion de la contencion. Finalmente, se implementa la inyeccion de vapor del ADS en el tanque destacando la relevancia de las hipotesis de modelado para representar correctamente su funcionamiento. Seguidamente, el PCS es modelado en GOTHIC teniendo como la hipotesis conservadora que el agua del tanque de recarga de agua del sistema pasivo de refrigeracion de la contencion (PCCWST) no esta disponible. Ademas, debido al diseno inherente del PCS distintas hipotesis y simplificaciones se han tenido que aplicar al modelo 3D. Finalmente, el funcionamiento del modelo creado es analizado ante condiciones estacionarias, pudiendose comprobar que el modelado de la conveccion natural no es trivial, siendo necesario prestar especial atencion a los parametros que se usan para el modelado del PCS. Mas adelante, la metodologia usada para la construccion de la contencion tridimensional del AP1000 (SCV) se presenta: la contencion del AP1000 se construye de manera detallada en AutoCAD obteniendo un CAD de alto detalle. Este CAD es simplificado, pasando todas las partes que lo componen a geometrias simplificadas que sean aceptadas por GOTHIC. Finalmente, las coordenadas de estas geometrias se extraen y son implementadas en GOTHIC. Las diferentes hipotesis de simulacion para la correcta compartimentalizacion de la contencion en GOTHIC son descritas detalladamente. Finalmente, el modelo de contencion completa que incluye todos los modelos aislados creados previamente se usa para la ejecucion de los casos de aplicacion elegidos: un LBLOCA y un SBLOCA. Dependiendo del tipo de accidente las aproximaciones de modelizacion son distintas. En el caso del LBLOCA unicamente el PCS y el SCV se utilizan, ya que el IRWST no tiene ningun papel relevante durante este transitorio. En el caso del SBLOCA el modelo detallado del IRWST se incluye en la simulacion, ya que la estratificacion del tanque puede jugar un papel esencial en la evolucion del transitorio. Los resultados obtenidos de los casos de aplicacion demuestran que el modelo de contencion 3D de AP1000 creado en GOTHIC puede ser util para la simulacion de este tipo de accidentes, dando la suficiente resolucion para poder observar el estado termo-hidraulico de los distintos compartimentos que forman parte de la contencion. Para obtener este nivel de precision y poder entender la compleja fenomenologia que acontece en la contencion del AP1000 se ha visto que es necesario el modelado en detalle del IRWST, SCV y PCS. La competitividad computacional del modelo creado junto con su precision ha permitido entender cierta fenomenologia dentro de la contencion que no habia sido vista antes en otros modelos de AP1000.