Hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) combustion during Severe Accidents (SAs) in Nuclear Power Plants (NPPs) could pose a significant threat to the nuclear containment building integrity due to the associated risk of high pressure and temperature transients. In this context, Passive Autocatalytic Recombiners (PARs) play a critical role in mitigating combustible gases (H2 and CO) accumulation within the containment atmosphere, reducing combustion risk. Thus, accurate modeling of PARs behavior under realistic accident conditions is essential for ensuring plant safety and regulatory compliance.
This doctoral thesis presents the enhancement and validation process of the PARUPM simulation code, a numerical tool developed at the Universidad Politécnica de Madrid for simulating the behavior of PARs. Unlike conventional models based on empirical correlations, PARUPM incorporates detailed surface chemistry and coupled heat and mass transfer phenomena, enabling the simulation of PARs under challenging conditions such as oxygen-lean environments and the presence of carbon monoxide.
The work presented in this thesis was developed in the framework of the AMHYCO project (EU-funded Horizon 2020 project), which seeks to advance the understanding and simulation capabilities to support the combustion risk management in severe accidents, and can be summarized in several objectives: (1) to develop PARUPM as a standalone simulation tool capable of accurately modeling steady-state and transient behavior of PARs; (2) to validate PARUPM against experimental data from well-established facilities such as REKO-3 and THAI; and (3) to couple PARUPM within the GOTHIC thermal-hydraulic code for simulating realistic full-scale containment scenarios, including severe accident transients.
The validation process followed a structured methodology. First, the original code, PARUPM 1.0, was decoupled from MELCOR and developed as an independent code, PARUPM 2.0, to support standalone simulations. New models were implemented to account for diffusion rates, oxygen starvation, and catalyst poisoning due to CO in the late phase of severe accidents. The validation against REKO-3 experiments demonstrated accurate predictions of recombination rates and catalyst temperatures. In a next step, PARUPM 2.0 was adapted to simulate transient scenarios using THAI facility data, capturing catalyst heating dynamics and flow velocities. In its final phase, PARUPM 2.0 was coupled to GOTHIC to simulate a full 3D PWR-W containment under a Station Blackout (SBO) sequence. This integration allowed the evaluation of combustible gases distribution and mitigation strategies using a realistic configuration of PARs.
Comparative analysis between PARUPM 2.0 and industry-standard correlations (e.g., Framatome) showed that PARUPM 2.0 provides more accurate predictions of recombination rates and local gas conditions in the ex-vessel phase. Furthermore, the code maintained reasonable computational costs, confirming its suitability for detailed safety assessments.
In conclusion, this thesis demonstrates that PARUPM 2.0 is a robust and validated tool for the simulation of PARs, capable of addressing the limitations of existing models and improving the fidelity of combustion risk assessments in NPPs. The developed methodologies and results contribute to the advancement of passive safety system modeling and offer a solid foundation for future developments in H2 and CO mitigation strategies.
RESUMEN
La combustión de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO) durante el desarrollo de un accidente severo en una central nuclear (NPP) representa una amenaza crítica para la integridad del edificio de contención nuclear, debido a los picos de alta presión y temperatura asociados. En este contexto, los recombinadores autocatalíticos pasivos (PARs) desempeñan un papel clave en la mitigación de la acumulación de gases combustibles (H2 y CO) dentro de la contención, reduciendo el riesgo de combustión. Por tanto, es esencial simular de manera precisa del comportamiento de los PARs en condiciones realistas de accidente para garantizar la seguridad de la central y cumplir con los requisitos del regulador.
Esta tesis doctoral presenta el proceso de mejora y validación del código de simulación PARUPM, una herramienta numérica desarrollada en la Universidad Politécnica de Madrid para modelar el comportamiento de los PARs. A diferencia de los modelos convencionales basados en correlaciones empíricas, PARUPM incorpora la química de superficie detallada y los fenómenos acoplados de transferencia de calor y masa, permitiendo la simulación de los PARs en condiciones difíciles como entornos pobres en oxígeno o con presencia de monóxido de carbono.
El trabajo presentado en esta tesis se desarrolló en el marco del proyecto AMHYCO (Proyecto Horizonte 2020 financiado por la UE), que busca avanzar en la comprensión y las capacidades de simulación del riesgo de combustión en accidente severo, y se puede resumir en los siguientes objetivos: (1) desarrollar PARUPM 2.0 como una herramienta de simulación autónoma capaz de modelar el comportamiento de los PARs en estado estacionario y en condiciones transitorias, (2) validar el código PARUPM con datos experimentales de instalaciones experimentales como REKO-3 y THAI; e (3) integrar PARUPM como un módulo acoplado en el código termohidráulico GOTHIC para simular escenarios realistas a escala completa en contención, incluyendo transitorios de accidente severo.
El proceso de validación se estructuró en varias fases. Primero, se desacopló el código original, PARUPM 1.0, del código MELCOR y se mejoró para convertirlo en un código independiente, PARUPM 2.0, incorporando modelos para simular la tasa de difusión, la escasez de oxígeno y el envenenamiento catalítico por CO. Las validaciones con datos de REKO-3 demostraron una alta precisión en la predicción de tasas de recombinación y temperaturas del catalizador. Posteriormente, se adaptó PARUPM 2.0 para simular condiciones transitorias, utilizando datos experimentales de la instalación THAI, capturando con precisión la dinámica térmica del catalizador y las velocidades a través del PAR. Finalmente, PARUPM 2.0 se acopló a GOTHIC para simular un escenario completo de contención de un reactor de agua a presión tipo Westinghouse (PWR-W) durante una secuencia de pérdida total de energía (SBO), evaluando la distribución del hidrógeno y las estrategias de mitigación usando un conjunto de PARs realistas.
El análisis comparativo entre PARUPM 2.0 y correlaciones estándar de la industria, como la de Framatome, evidenció que PARUPM 2.0 proporciona predicciones más precisas sobre las tasas de recombinación y condiciones locales del gas. Además, el código demostró ser computacionalmente eficiente, confirmando su idoneidad para evaluaciones detalladas de seguridad.
En resumen, esta tesis demuestra que PARUPM 2.0 es una herramienta robusta y validada para la simulación de recombinadores autocatalíticos pasivos, capaz de superar las limitaciones de modelos existentes y mejorar la calidad de los análisis de riesgo por hidrógeno en centrales nucleares. Las metodologías desarrolladas y los resultados obtenidos contribuyen al avance del modelado de sistemas de seguridad pasivos y ofrecen una base sólida para futuras investigaciones en estrategias de mitigación de hidrógeno.
Hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) combustion during Severe Accidents (SAs) in Nuclear Power Plants (NPPs) could pose a significant threat to the nuclear containment building integrity due to the associated risk of high pressure and temperature transients. In this context, Passive Autocatalytic Recombiners (PARs) play a critical role in mitigating combustible gases (H2 and CO) accumulation within the containment atmosphere, reducing combustion risk. Thus, accurate modeling of PARs behavior under realistic accident conditions is essential for ensuring plant safety and regulatory compliance.
This doctoral thesis presents the enhancement and validation process of the PARUPM simulation code, a numerical tool developed at the Universidad Politécnica de Madrid for simulating the behavior of PARs. Unlike conventional models based on empirical correlations, PARUPM incorporates detailed surface chemistry and coupled heat and mass transfer phenomena, enabling the simulation of PARs under challenging conditions such as oxygen-lean environments and the presence of carbon monoxide.
The work presented in this thesis was developed in the framework of the AMHYCO project (EU-funded Horizon 2020 project), which seeks to advance the understanding and simulation capabilities to support the combustion risk management in severe accidents, and can be summarized in several objectives: (1) to develop PARUPM as a standalone simulation tool capable of accurately modeling steady-state and transient behavior of PARs; (2) to validate PARUPM against experimental data from well-established facilities such as REKO-3 and THAI; and (3) to couple PARUPM within the GOTHIC thermal-hydraulic code for simulating realistic full-scale containment scenarios, including severe accident transients.
The validation process followed a structured methodology. First, the original code, PARUPM 1.0, was decoupled from MELCOR and developed as an independent code, PARUPM 2.0, to support standalone simulations. New models were implemented to account for diffusion rates, oxygen starvation, and catalyst poisoning due to CO in the late phase of severe accidents. The validation against REKO-3 experiments demonstrated accurate predictions of recombination rates and catalyst temperatures. In a next step, PARUPM 2.0 was adapted to simulate transient scenarios using THAI facility data, capturing catalyst heating dynamics and flow velocities. In its final phase, PARUPM 2.0 was coupled to GOTHIC to simulate a full 3D PWR-W containment under a Station Blackout (SBO) sequence. This integration allowed the evaluation of combustible gases distribution and mitigation strategies using a realistic configuration of PARs.
Comparative analysis between PARUPM 2.0 and industry-standard correlations (e.g., Framatome) showed that PARUPM 2.0 provides more accurate predictions of recombination rates and local gas conditions in the ex-vessel phase. Furthermore, the code maintained reasonable computational costs, confirming its suitability for detailed safety assessments.
In conclusion, this thesis demonstrates that PARUPM 2.0 is a robust and validated tool for the simulation of PARs, capable of addressing the limitations of existing models and improving the fidelity of combustion risk assessments in NPPs. The developed methodologies and results contribute to the advancement of passive safety system modeling and offer a solid foundation for future developments in H2 and CO mitigation strategies.
RESUMEN
La combustión de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO) durante el desarrollo de un accidente severo en una central nuclear (NPP) representa una amenaza crítica para la integridad del edificio de contención nuclear, debido a los picos de alta presión y temperatura asociados. En este contexto, los recombinadores autocatalíticos pasivos (PARs) desempeñan un papel clave en la mitigación de la acumulación de gases combustibles (H2 y CO) dentro de la contención, reduciendo el riesgo de combustión. Por tanto, es esencial simular de manera precisa del comportamiento de los PARs en condiciones realistas de accidente para garantizar la seguridad de la central y cumplir con los requisitos del regulador.
Esta tesis doctoral presenta el proceso de mejora y validación del código de simulación PARUPM, una herramienta numérica desarrollada en la Universidad Politécnica de Madrid para modelar el comportamiento de los PARs. A diferencia de los modelos convencionales basados en correlaciones empíricas, PARUPM incorpora la química de superficie detallada y los fenómenos acoplados de transferencia de calor y masa, permitiendo la simulación de los PARs en condiciones difíciles como entornos pobres en oxígeno o con presencia de monóxido de carbono.
El trabajo presentado en esta tesis se desarrolló en el marco del proyecto AMHYCO (Proyecto Horizonte 2020 financiado por la UE), que busca avanzar en la comprensión y las capacidades de simulación del riesgo de combustión en accidente severo, y se puede resumir en los siguientes objetivos: (1) desarrollar PARUPM 2.0 como una herramienta de simulación autónoma capaz de modelar el comportamiento de los PARs en estado estacionario y en condiciones transitorias, (2) validar el código PARUPM con datos experimentales de instalaciones experimentales como REKO-3 y THAI; e (3) integrar PARUPM como un módulo acoplado en el código termohidráulico GOTHIC para simular escenarios realistas a escala completa en contención, incluyendo transitorios de accidente severo.
El proceso de validación se estructuró en varias fases. Primero, se desacopló el código original, PARUPM 1.0, del código MELCOR y se mejoró para convertirlo en un código independiente, PARUPM 2.0, incorporando modelos para simular la tasa de difusión, la escasez de oxígeno y el envenenamiento catalítico por CO. Las validaciones con datos de REKO-3 demostraron una alta precisión en la predicción de tasas de recombinación y temperaturas del catalizador. Posteriormente, se adaptó PARUPM 2.0 para simular condiciones transitorias, utilizando datos experimentales de la instalación THAI, capturando con precisión la dinámica térmica del catalizador y las velocidades a través del PAR. Finalmente, PARUPM 2.0 se acopló a GOTHIC para simular un escenario completo de contención de un reactor de agua a presión tipo Westinghouse (PWR-W) durante una secuencia de pérdida total de energía (SBO), evaluando la distribución del hidrógeno y las estrategias de mitigación usando un conjunto de PARs realistas.
El análisis comparativo entre PARUPM 2.0 y correlaciones estándar de la industria, como la de Framatome, evidenció que PARUPM 2.0 proporciona predicciones más precisas sobre las tasas de recombinación y condiciones locales del gas. Además, el código demostró ser computacionalmente eficiente, confirmando su idoneidad para evaluaciones detalladas de seguridad.
En resumen, esta tesis demuestra que PARUPM 2.0 es una herramienta robusta y validada para la simulación de recombinadores autocatalíticos pasivos, capaz de superar las limitaciones de modelos existentes y mejorar la calidad de los análisis de riesgo por hidrógeno en centrales nucleares. Las metodologías desarrolladas y los resultados obtenidos contribuyen al avance del modelado de sistemas de seguridad pasivos y ofrecen una base sólida para futuras investigaciones en estrategias de mitigación de hidrógeno. Read More
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