Euler-Lagrangian modeling of aerosol transport, deposition and impact of nuclear decay heat

Kampili, Manohar; Allelein, Hans-Josef; Behr, Marek; Reddy, Konireddy Hemachandra

doi:10.18154/RWTH-2025-03307

Euler-Lagrangian modeling of aerosol transport, deposition and impact of nuclear decay heat = Euler-Lagrangesche Modellierung des Aerosoltransports, der Ablagerung und der Auswirkungen der Nachzerfallswärme

Kampili, Manohar^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manohar Kampili

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH* ; Reddy, Konireddy Hemachandra (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03307
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1009056/files/1009056.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computergestützte Analyse technischer Systeme (416010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFD Modeling (frei) ; containmentFOAM (frei) ; continuous random walk model (frei) ; nuclear decay heat (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Verlauf eines schweren Störfalls wird die Strömung innerhalb des Sicherheitsbehälters eines Kernkraftwerks im Wesentlichen durch Auftriebskräfte induziert und bedingt den Transport des Dampfs und der nicht kondensierbaren Gase sowie auch die Verteilung und Ablagerung der radioaktiven Spaltprodukte. Neben den Spaltedelgasen bilden die aerosolgetragenen Spaltprodukte den wesentlichen Teil des radioaktiven Quellterms. In bisherigen Arbeiten stand die potenzielle Freisetzung radioaktiver Stoffe im Fokus. Der radioaktive Zerfall wirkt jedoch auch als lokale Wärmequelle in der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters oder auf seinen Strukturen. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher erstmalig im Detail untersucht, inwiefern sich die aerosolgetragene Nachzerfallswärme über die Beeinflussung der lokalen Auftriebskräfte und der Turbulenz auf die Strömungs- und Transportprozesse im Sicherheitsbehälter auswirkt. Hierzu wird zunächst ein detailliertes Computational Fluid Dynamics (CFD) Modell für das containmentFOAM Paket entwickelt. Die Gasströmung wird mit dem Eulerschen Ansatz modelliert, der Aerosoltransport mittels des Lagrangeschen Ansatzes, d.h. der Kräftebilanz an einem Partikel. Dabei werden Reibungswiderstand, Schwerkraft und thermophoretische Kräfte berücksichtigt. Zur Abbildung der, für die Ablagerung entscheidenden turbulenten Dispersion wurde das Continuous Random Walk Modell implementiert und auf Auftriebsströmungen erweitert. Die partikelgetragene Zerfallswärme wird als Wärmequelle im Fluid modelliert. Das CFD-Modell wird im Detail verifiziert und eine systematische grundlegende Validierung durchgeführt. Anhand des bereits zur Validierung genutzten DIANA-Versuchs (PSI, Schweiz) wird die Interaktion der partikelgetragenen Nachzerfallswärme mit der freien Konvektion untersucht. Erstmalig kann gezeigt werden, dass die transportierte Nachzerfallsleistung einen sichtbaren Einfluss auf die lokale Gastemperatur und damit turbulente freie Konvektion hat. Des Weiteren wird die Ablagerungsrate der Partikel im Submikronbereich sichtbar mittels Thermophorese und turbulenter Dispersion beeinflusst. Dieser detaillierte Einblick bildet die Basis für die Entwicklung eines effizienten Euler-Euler Modells in einer aufbauenden Arbeit, um die Erkenntnisse in den Anlagenmaßstab zu übertragen.

During a severe accident, the flow within the nuclear reactor containment is primarily induced by buoyancy forces and determines the transport of the steam and non-condensable gases as well as the distribution and deposition of the radioactive fission products. In addition to the noble fission gases, the aerosol-borne fission products form the major part of the radioactive source term. Previous work has focused on the potential release of radioactive materials. However, radioactive decay also acts as a local heat source in the atmosphere of the containment or on its structures. In the context of this work, it is therefore investigated for the first time in detail how the aerosol-borne decay heat affects the flow and transport processes in the containment by influencing the local buoyancy forces and the turbulence. To this end, a detailed computational fluid dynamics (CFD) model for the containmentFOAM package is developed. The gas flow is modeled with the Eulerian approach whereas the aerosol transport is modeled with the Lagrangian approach, i.e., the force balance on a particle. Drag, gravity and thermophoretic forces are considered. To represent turbulent dispersion, which is crucial for deposition, the Continuous Random Walk model was implemented and extended to buoyancy flows. The particle-borne heat of decay is modeled as a heat source in the fluid. The CFD model is verified in detail and systematic validation is performed. On basis of the DIANA experiment (PSI, Switzerland), which has already been used for validation, the interaction of particle-borne decay heat with free convection is investigated. It is shown for the first time that the transported decay power has a visible influence on the local gas temperature and thus turbulent free convection. Furthermore, the deposition rate of submicron particles is visibly affected by thermophoresis and turbulent dispersion. This detailed insight forms the basis for the development of an efficient Euler-Euler model in subsequent work in order to transfer the results to plant scale.

OpenAccess:
PDF
(additional files)