6. ANALISI TERMOIDRAULICA DEL TRANSITORIO DEGB, TRAMITE CODICE RELAP/MOD 3.3

6. ANALISI TERMOIDRAULICA DEL TRANSITORIO

DEGB, TRAMITE CODICE RELAP/MOD 3.3

6.1 RISULTATI PRINCIPALI OTTENUTI DALL’ ANALISI

Dalla fig. 6.1 si osserva l’andamento della potenza termica totale prodotta dal reattore durante il transitorio (somma della potenza derivante dalle fissioni e della potenza dovuta al decadimento dei prodotti di fissione). Il valore iniziale è di 3000 MWth, corrispondente alle condizioni operative imposte allo stato stazionario (intervallo temporale da -100s a 0s). A partire dall’ istante in cui si verifica la rottura della cold leg n°1, si assiste alla brusca diminuzione della potenza, a seguito dell’aumento del grado di vuoto del fluido refrigerante nel core e della conseguente diminuzione del rapporto di moderazione (sicurezza intrinseca dei LWR’s sottomoderati). Successivamente avviene lo scram del reattore con l’inserimento delle barre di controllo, come conseguenza dell’ abbassamento del livello di liquido nel pressurizzatore al di sotto del valore di soglia di 4 m (fig. 6.2), causato dalla massiccia fuoriuscita di refrigerante dal circuito primario. Il livello dell’acqua subisce fasi successive di aumento e diminuzione, a seconda del prevalere rispettivamente dei fenomeni di riempimento dovuti all’ immissione di acqua da parte degli ECCS, o dei fenomeni di svuotamento dovuti alla continua fuoriuscita di fluido dalla zona di break.

-5.00E+08 0.00E+00 5.00E+08 1.00E+09 1.50E+09 2.00E+09 2.50E+09 3.00E+09 3.50E+09 4.00E+09 -100 100 300 500 700 900 Time (s) Wth

Fig. 6.1 andamento della potenza termica del reattore

-2 0 2 4 6 8 10 12 -100 100 300 500 700 900 Time (s) m

6.1.2 PRESSIONE E PORTATE DI MASSA NEL CIRCUITO PRIMARIO

La fig. 6.3 mostra la rapida depressurizzazione alla quale è soggetto il circuito di refrigerazione primario. Partendo dal valore iniziale di 15.7 MPa, la pressione si porta ad un valore di circa 0.4 MPa nei primi 40 secondi a partire dal transitorio. Nelle figg. 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 è riportato l’andamento delle portate di fluido in corrispondenza rispettivamente delle quattro cold legs. I valori iniziali sono attestati sui 4700 kg/s. Le portate nelle cold legs n° 2, 3, 4, evolvono in modo simile. L’aumento iniziale, dovuto alla brusca accelerazione del fluido a seguito della depressurizzazione del primario, si compie in un arco di tempo dell’ordine del secondo. Dopodiché si assiste alla diminuzione della portata fino ad un valore finale di circa 100 kg/s pressoché costante dopo 30 s dall’ inizio del transitorio.

Diverso è l’ andamento della portata nella cold leg n° 1, quella in corrispondenza della quale si è ipotizzata la rottura. Qui la riduzione iniziale è più marcata, essendo tale zona direttamente interessata dal fenomeno di svuotamento; da notare, il valore negativo assunto, che corrisponde alla inversione nella direzione di percorrenza del fluido rispetto a quella iniziale (le portate sono state monitorate in corrispondenza dei bocchelli d’attacco delle cold legs con il

vessel). Il successivo aumento, è dovuto all’intervento degli ECCS, che reintegrano in parte la

quantità di refrigerante perso. In questo caso occorrono circa 40 secondi dall’inizio del transitorio per raggiungere i valori di portata finali (circa 40 kg/s).

In corrispondenza delle hot legs si assiste ad un picco iniziale di portata per la hot leg n°1, fig. 6.8, dovuto all’ accelerazione del fluido in uscita dal loop; nella fase finale del transitorio i valori si assestano sui 500 kg/s. Per le rimanenti hot legs figg. 6.9, 6.10,6.11, gli effetti di svuotamento si manifestano con una continua diminuzione di portata fino ai valori finali di circa 150 kg/s.

-2.50E+06 2.50E+06 7.50E+06 1.25E+07 1.75E+07 -100 100 300 500 700 900 Time (s) Pa

-30000 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/ s

Fig. 6.4 portata di fluido nella cold leg n°1

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/s

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/s

Fig. 6.6 portata di fluido nella cold leg n°3

-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/s

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg /s

Fig. 6.8 portata di fluido nella hot leg n°1

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg /s

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg /s

Fig. 6.10 portata di fluido nella hot leg n°3

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/ s

6.1.3 FUNZIONALITA’ DEI SISTEMI DI REFRIGERAZIONE DI EMERGENZA

A seguito della depressurizzazione prodotta dalla fuoriuscita di fluido dal circuito primario, entrano in funzione gli ECCS che con il reintegro di acqua assicurano la refrigerazione del nocciolo. Come si può notare dalla fig. 6.12, il primo sistema ad agire è quello di alta pressione (HPIS), che inietta dai primissimi istanti del transitorio, non appena la pressione nel primario scende al di sotto del valore di set-point pari a 13 MPa. In circa 30 s è raggiunta la massima portata di immissione, pari a 70 kg/s, che è mantenuta costante per la successiva durata del transitorio, in quanto nell’impianto reale è prevista l’iniezione continua (sia per i sistemi HPIS che per quelli LPIS) tramite reintegro dell’acqua da immettere mediante l’utilizzo di pompe che all’occorrenza raccolgono dal fondo dell’edificio primario di contenimento il liquido fuoriuscito dalla zona di rottura e quello ottenuto dalla condensazione del vapore sulle pareti interne dello stesso edificio.

Il secondo sistema di emergenza ad entrare in funzione in ordine temporale è il complesso degli accumulatori d’acqua borata pressurizzati ad azoto, SIT numero 1,2,3,4 le cui portate sono riportate in fig. 6.13. L’apporto d’acqua da tale sistema ha inizio dopo i primi 7 secondi di transitorio e termina bruscamente, a causa della immediata chiusura delle valvole di ammissione, nel momento in cui si azzera il livello di liquido negli accumulatori. Si riscontra il ritardo di circa 15 secondi tra l’istante di chiusura delle valvole dei SIT numero 1 e 2, che iniettano direttamente in corrispondenza dell’upper plenum, rispetto a quello delle valvole dei SIT numero 3 e 4, che iniettano nel downcomer. Tale effetto è riconducibile alla formazione nel

core di vapore che ostacola l’iniezione di acqua nell’ upper plenum (Capitolo 3), ritardando lo

svuotamento degli accumulatori dei SIT numero 1 e 2.

L’ultimo sistema di emergenza che interviene è rappresentato da quello di bassa pressione (LPIS) che inizia ad iniettare quando la pressione all’interno del circuito primario scende al di sotto dei 2.2 MPa (fig. 6.14). La portata finale è di 200 kg/s e tale viene mantenuta per il resto del transitorio.

Confrontando i grafici di fig. 6.12, 6.13 e 6.14, si può osservare la sequenza (ed i relativi ritardi) di azionamento dei tre sistemi.

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/ s HPIS n°1-2-3

Fig. 6.12 andamento della portata del HPIS

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/ s SIT n° 3-4 SIT n° 1-2

Fig. 6.13 andamento della portata del complesso dei SIT

-50 0 50 100 150 200 250 300 -100 100 300 500 700 900 Time (s) kg/ s LPIS n°1-2-3

6.1.4 TEMPERATURA DEL FLUIDO NEL CIRCUITO PRIMARIO

Le figg. 6.15 e 6.16 mostrano il comportamento del fluido nei rami freddi e caldi, in termini di temperature di bulk nei vari istanti del transitorio. In corrispondenza delle quattro cold legs si assiste ad un comportamento simile, con diminuzione della temperatura del fluido, a partire dal valore iniziale di 562 K, fino al valore finale di circa 350 K in un tempo di alcune decine di secondi. Il valore medio particolarmente basso cui tende il fluido nelle cold legs è dovuto all’iniezione di acqua “fredda” da parte degli ECCS (323 K per l’ acqua proveniente dai 4 SIT e dai 3 LPIS, 310 K per quella proveniente dai 3 HPIS) e la contemporanea diminuzione di potenza termica prodotta dal reattore. Anche all’interno delle hot legs il fenomeno di raffreddamento procede in maniera analoga. Si parte dal valore iniziale di 591 K, per giungere a quello finale di circa 370 K.

In fig. 6.17 è stata riportata la diminuzione di temperatura del fluido in corrispondenza delle

cold legs. E’ interessante osservare che si realizza un salto termico considerevole (circa 200 K)

fin dai primi 30 secondi, mantenuto per il resto del transitorio. Ciò causa un raffreddamento progressivo della parete del downcomer.

La fig. 6.18 mostra l’andamento della frazione di vuoto presso il fondo e la sommità del core. Mentre nella parte bassa i valori sono decisamente contenuti, nella parte alta si assestano intorno a 0.8. Si ha quindi la formazione di vapore nella regione più alta del nocciolo, con peggioramento delle condizioni di scambio termico all’interfaccia guaina-refrigerante. Quanto asserito è confermato dal processo di riempimento del nocciolo, inizialmente svuotato (fig. 6.19) e dall’andamento della temperatura esterna della guaina delle barrette di combustibile (figg. 6.20 e 6.21), riferita alla barretta più calda (hot rod) dell’intero nocciolo.

Riguardo alla temperatura di camicia, si ritiene importante osservare che dal valore iniziale di 562 K, si passa rapidamente a circa 1400 K. La condizione di dry-out responsabile del picco termico, scompare dopo l’intervento degli ECCS, capaci di riportare la temperatura di camicia al valore iniziale dopo circa 15s dall’inizio del transitorio.

300 350 400 450 500 550 600 650 -100 100 300 500 700 900 Time (s) K cold leg N° 1 cold leg N° 2 cold leg N° 3 cold leg N° 4

Fig. 6.15 temperatura del fluido nelle cold legs

300 350 400 450 500 550 600 650 700 -100 100 300 500 700 900 Time (s) K hot leg N° 1 hot leg N° 2 hot leg N° 3 hot leg N° 4

Fig. 6.16 temperatura del fluido nelle hot legs

-50 0 50 100 150 200 250 300 -100 100 300 500 700 900 1100 Time (s) K cold leg N° 1 cold leg N° 2 cold leg N° 3 cold leg N° 4

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -100 100 300 500 700 900 Time (s)

parte bassa del core parte alta del core

Fig. 6.18 frazione di vuoto nella parte bassa e alta del core

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 -100 100 300 500 700 900 Time (s) m

Fig. 6.19 andamento del livello di liquido nel core

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -100 100 300 500 700 900 Time (s) K

Fig. 6.20 temperatura esterna della guaina

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Time (s) K

6.2 RISULTATI RELATIVI ALLA ZONA IN ESAME

Con l’immissione di acqua “fredda” all’interno del circuito primario, a seguito dell’intervento degli ECCS si ha ingresso nel downcomer di refrigerante a bassa temperatura (acqua proveniente dalle cold legs, dai SIT n°4 e 3 e dall’LPIS n°3).

Nell’ ambito dell’analisi strutturale discussa nel capitolo 7 è stato considerato per il presente lavoro una fessura sulla parete interna del RPV, in corrispondenza del terzo cordone di saldatura, situato a 1550 mm dal punto di attacco tra la virola cilindrica e il fondo semiellittico inferiore. Considerando la schematizzazione RELAP dell’impianto descritta al capitolo 5, la zona di interesse si trova in corrispondenza dei volumi n°18 appartenenti ad ognuno degli otto elementi (pipes) in cui è stato suddiviso il downcomer. L’analisi di PTS impone che la fessura sia posizionata nel punto con la peggiore combinazione di tensioni e raffreddamento nel corso del transitorio considerato. Nell’ambito della analisi termoidraulica, è possibile individuare la porzione di parete soggetta al maggiore raffreddamento, verificando i valori di temperatura in corrispondenza di ciascuna struttura termica associata agli otto volumi n°18.

In fig. 6.24 si riporta l’andamento della temperatura di parete all’interfaccia con il fluido. Si può notare che inizialmente il fenomeno evolve in maniera pressoché uniforme per l’intera parete interna del RPV. Gli effetti di un raffreddamento più marcato si riscontrano in corrispondenza della struttura termica associata all’elemento idraulico n°134. Ciò è giustificato in quanto tale componente idraulico schematizza la zona del downcomer in cui avviene l’iniezione diretta di acqua da parte del SIT n°3 e dell’LPIS n°3. L’altra zona soggetta ad un intenso raffreddamento, si trova in corrispondenza dell’elemento idraulico n°137, in cui avviene l’iniezione da parte del SIT n°4. Si noti la condizione di grado di vuoto (fig. 6.25) raggiunta nell’intera zona anulare del downcomer alla quota della saldatura. A partire da t=0 s il grado di vuoto aumenta rapidamente fino a valori prossimi a 1, diminuendo successivamente fino al valore nullo per t =40s. La fig. 6.26 mostra la diminuzione di temperatura di interfaccia della parete interna del RPV alla quota della saldatura. Il salto di temperatura in corrispondenza della struttura termica (associata all’elemento n°137) è di circa 200 K; questa zona interna del RPV è sottoposta ad un intenso raffreddamento fin dai primi istanti del transitorio. I carichi meccanici e termici agenti su tale zona, saranno pertanto oggetto di studio nell’ambito della successiva analisi strutturale.

300 350 400 450 500 550 600 650 -100 100 300 500 700 900 Time (s) K elem. N° 133 elem. N° 176 elem. N° 134 elem. N° 135 elem. N° 136 elem. N° 177 elem. N° 137 elem. N° 138

Fig. 6.24 temperatura di interfaccia delle otto heat structures associate ai vol. n°18

Frazione di vuoto -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 time [s] elem. N°133 elem. N°134 elem. N°135 elem. N°136 elem. N°137 elem. N°138 elem. N°176 elem. N°177

Fig. 6.25 frazione di vuoto nella zona anulare del downcomer alla quota della saldatura

0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Time (s) K elem. N° 133 elem. N° 176 elem. N° 134 elem. N° 135 elem. N°136 elem. N° 177 elem. N° 137 elem. N° 138

Fig. 6.26 diminuzione di temperatura di interfaccia nelle otto heat structures associate ai vol. n°18