Numerical and experimental investigation of surface vortex formation in coolant reservoirs of reactor safety systems Translated title: Numerische und experimentelle Untersuchung von Oberflächenwirbelbildung in Kühlmittelbehältern von Sicherheitssystemen von Reaktoren

Abstract

The reliable operation of the emergency coolant pumps and passive gravitational injection systems are an important safety issue during accident scenarios with coolant loss in pressurized water reactors. Because of the pressure drop and flow disturbances surface vortices develops at the pump intakes if the water level decreasing below a critical value. The induced swirling flow and gas entrainment lead to flow limitation and to pump failures and damages. The prediction of the critical submergence to avoid surface vortex building is difficult because it depends on many geometrical and fluid dynamical parameters. An alternative and new method has been developed for the investigation of surface vortices. The method based on the combination of CFD results with the analytical vortex model of Burgers and Rott. For further investigation the small scale experiments from the Institute of Nuclear Techniques of the Budapest University of Technology and Economics are used which were inspired from flow limitation problems during the draining of the bubble condenser trays at a VVER type nuclear power plants.

Kurzfassung

Während eines Kühlmittelverluststörfalls ist der zuverlässige Betrieb von Not- und Nachkühlpumpen sowie von passiven Einspeisesystemen bei Druckwasserreaktoren ein wesentlicher sicherheitstechnischer Aspekt. Wenn der Wasserpegel im Behälter unter einen kritischen Wert sinkt, bilden sich an den Saugstutzen der Pumpen Oberflächenwirbel infolge von lokalen Druckabsenkungen und Strömungsinhomogenitäten aus. Dadurch kommt es zu einer Drallströmung sowie einem Lufteintrag in die Saugleitung, welche zu Einschränkungen in der Kühlmittelförderung oder zur Schädigung der Pumpe führen kann. Die Abschätzung der kritischen Überdeckung zur Vermeidung von Oberflächenwirbel ist schwierig, weil sie von zahlreichen geometrischen und strömungsmechanischen Parametern abhängt. Ein neues Verfahren, basierend auf der Kombination von CFD Ergebnissen und dem analytischen Wirbelmodell von Burgers und Rott wurde zur Untersuchung der Oberflächenwirbel entwickelt. Die Nachrechnung eines neuen Experiments der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest, das sich mit dem Einfluss der Wirbelbildung auf die Entleerung der WWER Komponente Bubble Condenser beschäftigt, mit diesem Verfahren, wird in diesem Beitrag beschrieben.