Experimental and Computational Analysis of Steam Condensation in the Presence of Air and Helium

Department of Mechanical, Nuclear and Production Engineering, University of Pisa (Italy), and CEA (France)

Abstract

Among the different phenomena expected to occur within nuclear reactor containments during a postulated loss of coolant accident, condensation on containment walls plays a major role, since it represents an important heat sink for evacuating the energy released by the discharge of the primary water. Nevertheless, condensation strongly affects other relevant phenomena, like containment atmosphere mixing, that influences the distribution of noncondensable gases hypothetically delivered in severe accident conditions. In this scenario, the role of condensation is not obvious, since it can locally aid the hydrogen produced by the oxidation of the core claddings to concentrate and reach flammability limits, providing a dangerous effect instead of a positive one.

The understanding of condensation in the presence of air and hydrogen is therefore a fundamental task for the safety analyses of reactor containments. This research has been carried out with the aim to contribute to the understanding of these phenomena. A double strategy has been adopted, including complementary experimental and computational activities. Novel data have been made available by the CONAN facility, investigating the effects induced by light noncondensable gases in experimental configurations that were scarcely investigated in past studies. Computational fluid dynamics (CFD) condensation models have been developed and validated. The suitability of helium as a substitute for hydrogen in experimental activities has been investigated by theoretical and computational analyses allowing to establish simple criteria for the scaling of condensation tests in the presence of a light noncondensable gas.

Résumé

Parmi les différents phénomènes qui peuvent se produire lors d’un accident de perte de réfrigérant primaire à l’intérieur du bâtiment d’enceinte d’un réacteur nucléaire, la condensation sur les parois de l’enceinte a un rôle prépondérant : la condensation devient alors un puits de chaleur qui permet d’évacuer l’énergie libérée lors de la perte de l’eau du circuit primaire. Cependant, la condensation a un impact important sur d’autres phénomènes, comme par exemple le taux de mélange de l’air ambiant. Il a une influence directe sur la distribution des gaz non condensables qui peuvent s’échapper du coeur lors d’accidents graves. Dans certains cas, la condensation a un rôle plus subtil : la condensation peut favoriser la concentration locale d’hydrogène par oxydation de la gaine autour du combustible. La concentration locale en hydrogène peut alors atteindre la limite d’inflammabilité. La condensation en paroi a alors un effet négatif sur la sûreté de l’installation.

La bonne compréhension des phénomènes de condensation en présence d’air et d’hydrogène est donc de première importance lorsqu’il s’agit de mener une étude de sûreté de l’enceinte de confinement. La présente recherche a pour but d’améliorer les connaissances sur ce phénomène. L’étude s’est effectuée selon deux axes, à la fois des expériences complémentaires et une modélisation numérique de la condensation. De nouvelles données expérimentales ont été fournies par l’expérience CONAN qui étudie les effets des gaz non condensables légers. Les configurations expérimentales sont conformes à d’anciennes expériences très peu étudiées. Des modèles de condensation pour la CFD ont été développés puis validés. Tout d’abord il a été confirmé par des analyses théoriques et des modélisations numériques que l’hélium est un bon candidat pour représenter l’hydrogène dans les expériences. Il a ainsi été possible d’établir un critère d’échelle simple pour les essais de condensation en présence de gaz condensables légers.