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Analisi del test sperimentale COLIMA per la messa a punto di un modello di ritenzione degli aerosol nelle fessure di calcestruzzo in caso di incidente nucleare grave

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Analisi del test sperimentale COLIMA per la messa a punto di un modello di ritenzione degli aerosol nelle fessure di calcestruzzo in caso di incidente nucleare grave

Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Collaborazioni internazionali e sviluppo competenze in materia nucleare” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. In seguito a situazioni incidentali particolarmente critiche, gas e aerosol possono superare l’edificio di contenimento attraverso crepe che possono formarsi nella struttura. Nelle analisi di sicurezza, spesso si assume conservativamente che le fuoriuscite di aerosol siano identiche a quelle dei gas, e quindi che gli aerosol attraversino le crepe del contenitore senza subire alcuna ritenzione. Tale ipotesi conduce ovviamente a una forte sovrastima della quantità di prodotti di fissione fuoriusciti. L’ipotesi di completa fuoriuscita è infatti credibile solo per le specie in fase gassosa (gas nobili e vapori di altri composti), mentre è ben noto che condotti come le crepe, molto lunghi, tortuosi e dai contorni irregolari, agiscono da trappole per gli aerosol. Nell’ambito del network SARNET (Severe Accident Research and management NETwork), coordinato dall’Istituto di Radioprotezione e Sicurezza Nucleare francese (IRSN), è stato creato uno specifico gruppo di ricerca dedicato allo studio del trasporto di aerosol in crepe (CRCK). Attualmente i modelli meccanicistici sviluppati all’interno del progetto SARNET per simulare questo fenomeno sono abbastanza promettenti e non presentano difficoltà specifiche per la loro applicazione. Tuttavia, allo scopo di validare i modelli sviluppati sono necessari esperimenti realizzati con crepe realistiche ma con definite caratteristiche e con particelle di aerosol rappresentative delle situazioni incidentali ipotizzate. A tale scopo, nell’ambito di SARNET, ERSE e CEA hanno realizzato un esperimento riguardante proprio lo studio del trasporto di aerosol in crepe di calcestruzzo durante incidenti gravi. Il test è stato condotto associando un campione di calcestruzzo fessurato alla facility sperimentale COLIMA. Il campione di calcestruzzo utilizzato è rappresentativo di una crepa reale ma con definite caratteristiche geometriche ed è stato realizzato presso ERSE, mentre gli aerosol, simili a quelli prodotti in seguito alla fusione del nocciolo, sono prodotti direttamente dalla facility COLIMA mediante una reazione termitica. La facility COLIMA appartiene alla piattaforma PLINIUS, situata presso il sito CEA di Cadarache, dedicata allo studio di incidenti con fusione del nocciolo in reattori nucleari. • Principali caratteristiche della facility COLIMA COLIMA (COrium LIquid and MAterials) è un contenitore di 1.5 m 3 con atmosfera controllata (altezza interna 1.5 m, larghezza interna 1 m) e con pressione interna che può raggiungere gli 0.3 MPa. Il simulante del combustibile può essere fuso in un crogiolo da un forno a induzione e mantenuto fino a temperature di 3000 °C, oppure può essere generato mediante una reazione termitica. Il crogiolo può contenere fino a qualche kg di combustibile ed è circondato da un mantello termico isolante e puo’ essere posto sul fondo o al centro di un contenitore chiuso. Le pareti del contenitore e dei circuiti sono termicamente regolate a 150°C. • Campione di calcestruzzo fessurato

I campioni di calcestruzzo sono stati realizzati da ERSE sulla base della composizione fornita da CEA (cemento 15.3 wt.%, aggregati 78.0 wt.%, acqua 6.7 wt.%). Il calcestruzzo così ottenuto è rappresentativo di quello utilizzato per realizzare l’edificio di contenimento di una centrale nucleare. Il campione è stato fessurato, utilizzando una procedura standard, ottenendo un cilindro (lunghezza 0.3 m, diametro 0.13 m) con una crepa con caratteristiche definite. In seguito il campione è stato inserito in un tubo flangiato adatto per essere collegato alla facility COLIMA. Lo schema dell’apparato sperimentale, facility COLIMA e campione di calcestruzzo fessurato, è mostrato in Fig. 1. Fig. 1 Collegamento tra la facility COLIMA e il campione di calcestruzzo fessurato. • Condizioni sperimentali per il test COLIMA Gli aerosol sono generati dalla facility COLIMA e iniettati nella fessura del campione di calcestruzzo. Gli aerosol sono prodotti con una reazione alla termite che produce prodotti di reazione tipici della situazione incidentale ipotizzata. In particolare, nel test, una miscela (2 kg) di ossidi di uranio e zirconio, acciaio, prodotti di degradazione del calcestruzzo e prodotti di fissione è stata portata a 2000°C e fusa. Il test è stato condotto con un flusso stabilizzato a 400 Nl/min. La caduta di pressione lungo la fessura è di un 1 bar, e riproduce un tratto di 0.30 m di una fessura di 1.5 m. Pressione e temperature del gas sono state misurate nel tempo durante l’esperimento. Le misure riguardanti gli aerosol (concentrazione, distribuzione geometrica degli aerosol iniettati e di quelli fuoriusciti dalla fessura) sono state eseguite utilizzando degli impattori in cascata posti prima e dopo il campione di calcestruzzo. La frazione di aerosol depositata lungo il campione è stata calcolata in funzione della concentrazione dell’aerosol prima e dopo il campione e del flusso di gas. Allo scopo di ottenere un ulteriore controllo e minimizzare le incertezze, la massa depositata di aerosol è stata misurata,dopo l’esperimento, sul campione. • Risultati sperimentali La Fig. 2 mostra il deposito di aerosol nella fessura-campione aperta a libro, dopo il test. Come si può vedere, il deposito interessa principalmente i primi 5 cm del campione. Nel range 5-20 cm sono visibili dei cammini preferenziali. Dopo 20 cm la massa depositata è trascurabile.

Fig. 2 Campione di calcestruzzo aperto a libro, dopo il test: vista del deposito di aerosol. La massa totale depositata è di circa 300 mg (70% nella zona 0-5 cm, 23% zona 5-10 cm, 7% zona 10-20 cm). Sulla base dei risultati degli impattori sono state valutate le caratteristiche degli aerosol (AMMD=1.1 µm, σ g =1.9) e la frazione di aerosol depositata rispetto a quella iniettata (circa il 95%). Sulla base della durata dell’esperimento (5-10 minuti) e del flusso (400±28 Nl/min), è stata stimata la concentrazione degli aerosol iniettati, 0.05-0.1 g/m 3 . • ECART: analisi del test COLIMA Il test COLIMA è stato analizzato con il codice ECART, allo scopo di verificare le prestazioni del modello di risospensione e deposizione utilizzato dal codice per una situazione come quella particolare delle crepe sottili. La fessura è stata simulata attraverso una serie di volumi di controllo. Sono stati inoltre considerati due volumi addizionali, per simulare l’iniezione degli aerosol nel campione e la loro fuoriuscita nella parte restante dell’impianto. Gli aerosol sono stati descritti da una distribuzione log-normale, caratterizzata dai parametri di deviazione geometrica standard (σ g ) e AMMD (Aerodynamic Mass Median Diameter), e sono stati considerati sferici. Le simulazioni sono state condotte non considerando l’agglomerazione degli aerosol poiché il tempo necessario per attraversare la fessura è molto piccolo (~ 0.004 s) e la concentrazione di aerosol bassa. I parametri utilizzati per la simulazione sono: • Fessura nel campione di calcestruzzo: Volumi di controllo: Le simulazioni sono state condotte utilizzando due nodalizzazioni (Fig. 3): o 6 volumi di controllo: la fessura è stata suddivisa in 6 volumi di controllo di lunghezza 0.05 m; o 10 volumi di controllo: la fessura è stata suddivisa in 10 volumi di controllo, i primi 5 di lunghezza 0.01 m, i successivi 5 di lunghezza 0.05 m; (A)

(B) Fig. 3 Nodalizzazione della fessura di calcestruzzo (A) 6 volumi di controllo, (B) 10 volumi di controllo. • Superficie di deposizione: La superficie totale di deposizione A tot è valutata sulla base di un fattore correttivo (π/2) che tiene conto della tortuosità della fessura. Poiché lo spessore della crepa è piccolo, la superficie laterale è trascurabile e quindi la superficie totale è divisa tra superficie superiore e inferiore. Allo scopo di rappresentare le tortuosità della crepa, il 50% della superficie di deposizione totale è stata considerata superficie curva caratterizzata da un raggio di curvatura, in quanto superficie verso cui è diretta la forza centrifuga; • Pressione: Il test è stato condotto con una caduta di pressione tra l’ingresso e l’uscita dal campione di 1 bar. Tale caduta di pressione è stata considerata lineare lungo il campione; • Flusso di gas: Il test è stato eseguito con un flusso di gas di 400 Nl/min (8.3·10 -3 kg/s); • Aerosol: AMMD= 1.9 µm; σ g = 1.1 (ricavati dai risultati sperimentali). La densità (7350 kg/m 3 ) è stata valutata sulla base della composizione della termite, mentre la porosità (50%) è tipica di particelle di aerosol insolubili. La concentrazione degli aerosol è stata stimata sulla base della quantità di aerosol iniettata (300 mg) e la durata dell’esperimento (600 s). La quantità di aerosol iniettata è stata valutata sulla base dei risultati ottenuti degli impattori e dalla massa depositata sul campione. • Analisi di sensitività L’analisi di sensitività è stata eseguita al variare della porosità degli aerosol e del raggio di curvatura. Le simulazioni realizzate al variare della porosità (10-90%) sono rappresentative delle incertezze legate alle caratteristiche degli aerosol generati dalla facility COLIMA, mentre, le simulazioni realizzate al variare del raggio di curvatura (0.005-0.1 m) sono rappresentative delle incertezze legate alle caratteristiche della fessura. • Confronto tra simulazioni ECART e risultato sperimentale del test COLIMA Il confronto tra i risultati sperimentali del test COLIMA e le simulazioni ECART è riportato in Tabella 1 e Fig. 4. I risultati delle simulazioni mostrano, per entrambe le nodalizzazioni utilizzate, una buona stima della distribuzione della massa depositata lungo il campione (Fig. 4) e una debole sovrastima della massa depositata (Tabella 1). Le simulazioni mostrano che la deposizione avviene poiché le forze di adesione prevalgono su quelle aerodinamiche principalmente grazie al contributo della forza centrifuga. Infatti, le simulazioni hanno mostrato che il principale meccanismo di deposizione è la deposizione centrifuga sulla superficie curva con cui è stata rappresentata la tortuosità della crepa. Tabella 1 Confronto tra risultato sperimentale e simulazione ECART: frazione di aerosol depositati. Frazione di aerosol depositati [%] EXP COLIMA Simulazione ECART Nodalizzazione: 6 volumi di controllo Simulazione ECART Nodalizzazione: 10 volumi di controllo 94.4 99.91 99.92

0 20 40 60 80 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Crack lenght [m] Cumulative aerosol deposit [%] EXP COLIMA Nodalization 6 Control Volume Nodalization 10 Control Volume Fig. 4 Confronto tra risultato sperimentale e simulazioni ECART con i dati di default. L’analisi di sensitività in funzione della porosità mostra che tale parametro ha poca influenza sia sulla massa totale depositata (Tabella 2) sia sulla sua distribuzione lungo il campione (Fig. 5). Tabella 2 Frazione di aerosol depositata (massa depositata/massa iniettata): confronto tra risultato sperimentale del test COLIMA e simulazioni ECART in funzione della porosità dell’aerosol. Frazione di aerosol depositati [%] Simulazione ECART Nodalizzazione: 6 volumi di controllo Simulazione ECART Nodalizzazione: 10 volumi di controllo Porosità Porosità EXP COLIMA 10% 25% 50% 75% 90% 10% 25% 50% 75% 90% 94.4 98.52 99.70 99.91 99.95 99.97 98.30 99.71 99.92 99.96 99.97 0 20 40 60 80 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Crack lenght [m] Cu mulativ e aerosol deposit [%] EXP COLIMA Porosity 10% Porosity 25% Porosity 50% Porosity 75% Porosity 90% (A)

0 20 40 60 80 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Crack lenght [m] Cu mulativ e aerosol deposit [%] EXP COLIMA Porosity 10% Porosity 25% Porosity 50% Porosity 75% Porosity 90% (B) Fig. 5 Analisi di sensitività in funzione della porosità dell’aerosol (A) Nodalizzazione 6 volumi di controllo, (B) Nodalizzazione 10 volumi di controllo. L’analisi di sensitività in funzione del raggio di curvatura medio della crepa mostra invece che la massa totale depositata diminuisce all’aumentare del raggio di curvatura e quindi della tortuosità del campione (Tabella 3). Inoltre, all’aumentare del raggio di curvatura aumenta l’accordo tra la distribuzione degli aerosol lungo il campione sperimentale e quella simulata. Tuttavia per valori del raggio di curvatura superiori a 0.05 m, le simulazioni mostrano depositi di aerosol oltre i 20 cm della fessura, mentre sperimentalmente non si osservano depositi oltre tale distanza (Fig. 6). Tabella 3 Frazione di aerosol depositata (massa depositata/massa iniettata): confronto tra risultato sperimentale del test COLIMA e simulazioni ECART in funzione del raggio di curvatura. Frazione di aerosol depositati [%] Simulazione ECART Nodalizzazione: 6 volumi di controllo Simulazione ECART Nodalizzazione: 10 volumi di controllo raggio di curvatura [m] raggio di curvatura [m] EXP COLIMA 0.005 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1 0.005 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1 94.4 99.98 99.91 99.36 97.56 91.15 60.10 99.99 99.92 99.37 97.58 91.16 60.17

0 20 40 60 80 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Crack lenght [m] Cu m u la ti ve ae roso l de posi t [% ] EXP COLIMA Curvature radius 0.005 Curvature radius 0.01 Curvature radius 0.02 Curvature radius 0.03 Curvature radius 0.05 Curvature radius 0.1 (A) 0 20 40 60 80 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Crack lenght [m] C u m u l a t i v e a ero sol de po sit [% ] EXP COLIMA Curvature radius 0.005 Curvature radius 0.01 Curvature radius 0.02 Curvature radius 0.03 Curvature radius 0.05 Curvature radius 0.1 (B) Fig. 6 Analisi di sensitività in funzione del raggio di curvature (A) Nodalizzazione 6 volumi di controllo, (B) Nodalizzazione 10 volumi di controllo. • Conclusioni Il test COLIMA è stato realizzato da ERSE e CEA nell’ambito del progetto Europeo SARNET allo scopo di studiare il trasporto di aerosol in crepe di calcestruzzo nelle condizioni di un incidente severo. L’esperimento è stato realizzato presso la facility COLIMA. I risultati sperimentali hanno mostrato un importante fenomeno di ritenzione di aerosol nella fessura (~95%). Inoltre i risultati hanno mostrato che l’aerosol è notevolmente trattenuto già nei primi 5 cm della fessura (70%) e non sono visibili depositi oltre i 20 cm. L’esperimento è stato simulato con ECART allo scopo di verificare le prestazioni dei modelli di deposizione e risospensione utilizzati dal codice. L’analisi del test ha permesso il miglioramento del modello di risospensione di ECART. Tale modello è basato sulla valutazione della forza agente sulle particelle di aerosol e sul confronto tra le forze aerodinamiche e le forze di adesione. Nella precedente versione di ECART, la forza centrifuga non era considerata come forza di adesione che si oppone alla risospensione. Tuttavia l’analisi del test COLIMA ha mostrato che la forza centrifuga è il principale responsabile della forza di adesione: se la forza di adesione è

valutata senza considerare la forza centrifuga, le forze aerodinamiche prevalgono e la deposizione è impedita. Grazie a queste applicazioni di ECART per l’analisi del test COLIMA, il modello di risospensione è stato perciò migliorato e le forze di adesione sono valutate considerando la forza centrifuga. I risultati delle simulazioni danno una debole sovrastima della massa totale depositata ma un buon accordo tra la distribuzione della massa lungo il campione ottenuta sperimentalmente e quella ottenuta con il codice ECART. Questa debole sovrastima è tuttavia compatibile con le incertezze che accompagnano i dati dell’esperimento. Le simulazioni e le analisi di sensitività hanno evidenziato che il principale meccanismo di deposizione è la deposizione centrifuga a causa della tortuosità della crepa, simulata nel codice con una superficie curva caratterizzata da un raggio di curvatura medio. Allo scopo di validare adeguatamente il codice ECART per lo studio del trasporto di aerosol in crepe di calcestruzzo sarà necessario realizzare ulteriori test sperimentali. Dato l’importante ruolo della forza centrifuga, test sperimentali di trasporto in condotti, con geometria più regolare, potranno fornire utili informazioni riguardanti i fenomeni di deposizione e risospensione non solamente nelle crepe al variare del raggio di curvatura.

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