Μελέτη της επανάψυξης υπερθερμανθείσας ράβδου πυρηνικού αντιδραστήρα ισχύος σε κατακόρυφο κανάλι ροής με προσαγωγή νερού σε διάφορες συνθήκες

Abstract

The aim of the Doctoral Thesis was to study the phenomena of the rewetting of a super-heated rod under atmospheric pressure in various initial conditions of temperature and water flow mass rate by the method of bottom flooding. With the process of rewetting we aim to drastically reduce the temperature of an overheated surface, using a coolant medium, such as water or other refrigerants like freon. The study of the phenomena of the rewetting process is one of the main pieces of the world literature in thermohydraulics, as it is of great interest in various sectors, such as nuclear technology, metallurgy etc. In particular, in the nuclear technology sector, the rewetting of a superheated nuclear rod is of the utmost importance when a loss of coolant accident precedes. In this Ph.D. thesis, the study of the aforementioned phenomena was carried out through rewetting experiments with water supply from the bottom of the channel. Approximately we performed 1,200 experiments and collected the data for the dissertation analysis. To collect the experimental real-time data, we originally developed computer software programs using FORTRAN and R Statistics programming languages. We subsequently modified the software programs to be more user friendly. From the analysis of the experimental data and its comparison with the existing data of the international literature, we investigated the correlation between the rewetting velocity and the initial experimental conditions and also the geometry of the test channel. The result of the investigation was the proposal of dimensional and non-dimensional semi-empirical equations. In addition, the analysis revealed the effect of both the initial experimental conditions and the thermophysical properties of the rod to the variation of the rewetting temperature. As a result, we proposed a semi-empirical correlation with a linear coefficient of 0.9304. An important part of the dissertation was the thorough study of the rewetting mechanisms that took place during bottom flooding, both at high and low water mass flow rates. The adequacy of the data collection and processing system has been decisive for the creation of detailed plotting diagrams of the rod's temperature history and for the precise imprint of the quench front. We used the data of 4 rewetting experiments, which were performed under different but comparable initial conditions, to assess the prediction capability of the internationally recognized RELAP5 / MOD3.3 code. We found that RELAP5 / MOD3.3 predicted well the rewetting mechanisms of the experiments carried out under saturation conditions, while we observed interpretable deviations during the sub-cooled water experiments.In all the above-mentioned points, the dissertation points of originality are identified and labeled.

Αντικειμενικός στόχος της Διδακτορικής Διατριβής ήταν η μελέτη των φαινομένων επανάψυξηςμιας υπερθερμανθείσας ράβδου, κάτω από ατμοσφαιρική πίεση, σε διάφορες αρχικές συνθήκεςθερμοκρασίας και παροχής μάζας του ψυκτικού νερού με τη μέθοδο του πλημμυρισμού.Με τον γενικό όρο επανάψυξη εννοούμε τη διαδικασία με την οποία επιδιώκεται η δραστικήμείωση της θερμοκρασίας μιας υπερθερμανθείσας επιφάνειας, με την χρησιμοποίηση ενόςψυκτικού μέσου όπως το νερό. Συχνά το φαινόμενο προσομοιώνεται και με άλλα ψυκτικά μέσα,όπως για παράδειγμα τα ψυκτικά τύπου φρέον. Η μελέτη των φαινομένων κατά τη διαδικασία της επανάψυξης αποτελεί ένα από τα κύριαθέματα της παγκόσμιας βιβλιογραφίας στον τομέα της θερμοϋδραυλικής, καθώς παρουσιάζειάμεσο ενδιαφέρον σε τομείς όπως η πυρηνική τεχνολογία, η μεταλλουργία κτλ.. Συγκεκριμένα,στον τομέα της πυρηνικής τεχνολογίας, η επανάψυξη μιας υπερθερμανθείσας ράβδου πυρηνικού καυσίμου είναι μεγίστης σημασίας, όταν έχει προηγηθεί ατύχημα απώλειας ψυκτικού. Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, η μελέτη των προαναφερθέντων φαινομένωνέγινε μέσω της διενέργειας πειραμάτων επανάψυξης εκ των κάτω. Για την ολοκλήρωση τηςΔιατριβής πραγματοποιήθηκαν περί τα 1200 πειράματα και συγκεντρώθηκαν τα δεδομένα τους.Για τη συλλογή των πειραματικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και για τη μετέπειταεπεξεργασία τους, αναπτύχθηκαν αρχικά κατάλληλα υπολογιστικά προγράμματα σε γλώσσεςFORTRAN και R Statistics, τα οποία στη συνέχεια υπέστησαν τροποποιήσεις με σκοπό ναγίνουν φιλικότερα στον χρήστη. Από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων και τη σύγκρισή τους με τα ήδη υπάρχονταδεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας, διερευνήθηκε η συσχέτιση της ταχύτητας επανάψυξης απότις αρχικές πειραματικές συνθήκες και τη γεωμετρία του καναλιού δοκιμών, με αποτέλεσμα τηνπρόταση αδιάστατων και μη ημιεμπειρικών εξισώσεων. Επιπροσθέτως, η προαναφερθείσαανάλυση ανέδειξε την επίδραση τόσο των αρχικών πειραματικών συνθηκών όσο και τωνθερμοφυσικών ιδιοτήτων της ράβδου στη μεταβολή της θερμοκρασίας επανάψυξης, οπότε καιπροτάθηκε ημιεμπειρική συσχέτιση με συντελεστή γραμμικής προσαρμογής ίσο με 0.9304. Σημαντικό κομμάτι της Διατριβής αποτέλεσε και η διεξοδική μελέτη των μηχανισμώνεπανάψυξης με πλημμυρισμό, τόσο σε υψηλές όσο και σε χαμηλές παροχές ψυκτικού μέσου. Ηεπάρκεια του συστήματος συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων υπήρξε καθοριστική για τηλεπτομερή διαγραμματική απεικόνιση της θερμοκρασιακής ιστορίας της ράβδου καθώς και γιατην ακριβή αποτύπωση του υγρού μετώπου. Ακόμη, χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές από 4 πειράματα επανάψυξης, τα οποία διενεργήθηκαν κάτωαπό διαφορετικές αλλά συγκρίσιμες αρχικές συνθήκες, για την αξιολόγηση της ικανότηταςπρόβλεψης του διεθνώς αναγνωρισμένου κώδικα RELAP5/MOD3.3. Διαπιστώθηκε πολύ καλήσύμπτωση της πρόβλεψης των μηχανισμών επανάψυξης των πειραμάτων που διενεργήθηκανκάτω από συνθήκες κορεσμού, ενώ παρατηρήθηκαν ερμηνεύσιμες αποκλίσεις στα πειράματα σταοποία έγινε χρήση υπόψυκτου νερού.Σε όλα τα σημεία τα οποία έχουν προαναφερθεί, σε σχέση με την επανάψυξη με πλημμυρισμό,διαπιστώνονται και επισημαίνονται στο κείμενο της Διατριβής τα σημεία της πρωτοτυπίας της