An experimental study of an inherently-safe, natural circulating, flash-tube type system for a nuclear reactor steam supply concept

Loubser, Karl Albie (2014-12)

Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2014.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: This project investigates aspects of a novel inherently safe nuclear power steam supply system as safety is of paramount importance. The system envisaged has unique features namely: a) a two-phase flow flash-tube type natural circulating primary loop (also the secondary radioactive particle containment); b) a twophase flow thermosyphon heat pipe type heat exchanger secondary loop is used to transfer heat from the primary loop to the steam generators, thereby physically separating the two flow streams from one another; c) a natural convection air cooled condenser for the removal of the reactor’s residual heat; d) a unique core using TRISO type fuel (acting as the primary radioactive particle containment) with life of at least 8.9 years; e) a steel containment vessel acting as a tertiary radioactive product containment; f) a concrete containing structure with air vents to allow air to pass over the main steel containment vessel for cooling purposes in the case of an emergency, and for the removal of parasitic heat during operation. In particular the primary and secondary loops of the proposed system are investigated. This is done by design, construction and testing of a small scale experimental set-up of the primary and secondary loops as well as the development of theoretical models for the two loops. A literature survey focusing on nuclear technology, thermosyphon loops, natural circulating loop instabilities, heat pipes, and two-phase flow modelling is presented to give a brief overview of the technologies as well as tools used in the work undertaken. Observations of the inside flow behaviour of the primary loop experimental set-up were made possible by windows providing many insights into the inner workings, such as plume formation and geysering. The transient response of the secondary heat pipe loop start-up is also investigated. A thermal resistance theoretical model was developed for the secondary loop using heat transfer formulae from theory as well as experimentally semiempirical correlated formula. Different states of operation of the secondary loop were observed during testing with the theoretical model of the condensing regime correlating well, two-phase regime correlating acceptably and liquid regime correlating poorly to experimental results and thus were modelled using an experimentally determined overall heat transfer coefficient. The secondary loop model of the liquid regime is coupled with the primary loop theoretical model to predict the system’s performance. A homogeneous, one-dimensional, simple theoretical model for the primary loop was derived and computer simulated. The results did not compare well with experimental results for single phase flow and failed to capture the onset of two-phase flow. The assumptions of one dimensional model with a unidirectional flow, a hydrostatic pressure problem, a constant volumetric flow rate and the inability of the implementation of the code to handle expansion are noted as some of the flaws in the theoretical model. The following recommendations are made: a more advanced design of the pressuriser should be incorporated into the experiment; the secondary loop’s theoretical model should be characterised under a broader set of operating conditions; the computer program can be used as the basis for further research and implementation of alternative solution algorithms and models.

AFRIKKANSE OPSOMMING: Hierdie projek ondersoek aspekte van ’n ongewone, essensieel veilige kernkrag stoomtoevoer-stelsel, omdat veiligheid van kardinale belang is. Die stelsel wat voorgestel is, het unieke eienskappe, naamlik: a) ’n twee-fasevloei flits-buistipe natuurlik sirkulerende primêre lus (wat ook die sekondêre inperking van radioaktiewe materiaal bevat); b) ’n twee-fasevloei termo-heweleffek sekondêre lus hitte-pyp hitte-uitruiler word gebruik om die hitte vanaf die primêre lus oor te dra na die stoomkragopwekkers en daardeur word die twee strome se vloei fisies geskei van mekaar; c) ’n natuurlike konveksie lugverkoelde kondensor word gebruik vir die verwydering van die reaktors se oortollige hitte; d) ’n unieke kern gebruik TRISO-tipe brandstof (wat as die primêre inperking van radioaktiewe materiaal optree) met ’n lewe van minstens 8.9 jaar; e) ’n inperkingshouer van staal wat optree as ’n tersiêre radioaktiewe produkhouer; f) ’n betonstruktuur met lugventilasie om toe te laat dat lug oor die hoof staalhouer vloei vir verkoeling in ’n noodgeval, en vir die verwydering van parasitiese hitte tydens werking. Hoofsaaklik word die primêre en sekondêre lusse van die voorgestelde stelsel ondersoek. Dit word gedoen deur die ontwerp, konstruksie en die toets van ’n eksperimentele opstelling van die primêre en sekondêre lusse op klein skaal, sowel as die ontwikkeling van teoretiese modelle vir die twee lusse. ’n Literatuurstudie wat fokus op kerntegnologie, termo-heweleffeklusse, natuurlik sirkulerende lus instabiliteit, hitte-pype, en twee-fase vloeimodellering word aangebied om ’n kort oorsig te gee van die tegnologie, sowel as gereedskap gebruik in die werk wat onderneem is. Om die interne vloeigedrag van die primêre lus se eksperimentele opstelling waar te neem, word daar gebruik gemaak van vensters wat dien as ’n manier om die innerlike werking van die proses soos pluimvorming en die kook van die water in die warmwaterkolom te toon. Die oorgangsreaksie van die sekondêre hittepyplus aanvangs is ook ondersoek. ’n Teoretiese termiese weerstandmodel is ontwikkel vir die sekondêre lus met behulp van hitte-oordragformules waarvoor hitte-oordragteorie gebruik is, wat met eksperimentele semi-empiriese formules gekorreleer is. Verskillende toestande van die sekondêre lus se werking is waargeneem gedurende die toetse. Die teoretiese model het goed met die kondensasiestaat gekorreleer, terwyl by die twee-fasewerkswyse aanvaarbare korrellasies aangetref is en die uiteindelike vloeitoestand swakker gekorrelleer het met eksperimentele resultate en dus gemodelleer is met behulp van die NTU-effektiwiteitsmetode. Die sekondêre lusmodel van die vloeistoftoestand is gekoppel met die primêre lus teoretiese model om die werking van die stelsels te voorspel. ’n Homogene een-dimensionele eenvoudige teoretiese model van die primêre lus is afgelei en ’n rekenaar simulasie is uitgevoer. Die resultate vergelyk nie goed met die eksperimentele resultate vir enkelfasevloei en kon nie die aanvang van twee-fasevloei beskryf nie. Die aannemings van ’n een-dimensionele model met eenrigting vloei, ’n hidrostatiese druk probleem, ’n konstant volumetries vloeitempo en die onvermoë van die implementering van die kode om uitbreiding te hanteer is bekend as ’n paar van die foute in die teoretiese model. Die volgende aanbevelings word gemaak: ’n meer gevorderde ontwerp van drukreëlaar moet in die eksperiment ingesluit word; die sekondêre lus se teoretiese model moet gekenmerk word onder ’n wyer stel bedryfsomstandighede, en die rekenaar program kan gebruik word as die basis vir verdere navorsing en die implementering van alternatiewe algoritmes en modelle.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/96050
This item appears in the following collections: