Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter October 4, 2019

Development of AC2 for the simulation of advanced reactor design of Generation 3/3+ and light water cooled SMRs

Aktuelle Entwicklungen des Programms AC2 zur Berechnung von fortschrittlichen Reaktorkonzepten der Generation 3/3+ sowie von leichtwassergekühlten SMR-Konzepten
F. Weyermann, C. Spengler, P. Schöffel, S. Buchholz, T. Steinhoff, M. Sonnenkalb, A. Wielenberg and A. Schaffrath
From the journal Kerntechnik

Abstract

The transition from Generation 2 to Generation 3/3+ and 4 reactors, as well as the development of small modular reactors (SMR), place new demands on computational programs designed to simulate conditions of normal operation, operational occurrences, design basis accidents and severe accidents. On the one hand, most passive safety systems of advanced and innovative plants operate at low pressures even down to vacuum conditions and the driving forces are low compared to active systems. On the other hand, the containment is no longer just a barrier to retain radioactive material in the event of leakage of the cooling system, but it is an important link in the passive cooling chain. This requires an expansion and improvement of the existing simulation programs for the cooling circuit and containment, as well as the realization of a coupling between these simulation programs. The new AC2 program package combines the proven simulation codes ATHLET/ATHLET-CD and COCOSYS in one software suite to hit this target. The individual components of the suite are continuously extended and validated for their application to novel safety systems. This makes it possible to simulate the entire spectrum of accidents for Generation 3/3+, 4 and light water cooled SMR systems with just one program package. This publication gives an overview of the current state of development of AC2 and its individual modules.

Kurzfassung

Der Übergang von Reaktoren der Generation 2 nach Generation 3/3+ und 4 und auch das Aufkommen von kleinen modularen Reaktoren (engl. Small Modular Reactors = SMR) stellt an Rechenprogramme zur Simulation von Betriebszuständen, Transienten, Stör- und Unfällen in Kernkraftwerken neue Anforderungen. Zum einen arbeiten die in fortschrittlichen und innovativen Reaktoren eingesetzten passiven Sicherheitssysteme teilweise bei sehr niedrigen Drücken bis hinab zu Vakuumbedingungen und auch die treibenden Kräfte sind im Vergleich zu aktiven Systemen gering. Zum anderen ist der Sicherheitsbehälter (Containment) nicht mehr nur eine Barriere zum Aktivitätseinschluss im Falle von Leckagen des Kühlsystems, sondern es ist ein wichtiges Glied der passiven Wärmeabfuhr. Das erfordert zum einen eine Erweiterung und Verbesserung der bestehenden Simulationsprogramme für Kühlkreislauf und Containment, aber auch die Realisierung einer Kopplung zwischen diesen beiden Simulationsprogrammen. Unter dem Namen AC2 wurden zu diesem Zweck die erprobten Simulationsprogramme ATHLET/ATHLET-CD und COCOSYS in einem Programmsystem vereint. Dieses wird kontinuierlich für die Anwendung auf neuartige Sicherheitssysteme und Anwendungsbereiche erweitert und validiert. Somit ist es möglich mit nur einem Programmsystem das gesamte Störfallspektrum für Anlagen der Generation 3/3+, 4 und leichtwassergekühlter SMRs zu simulieren. Dieser Aufsatz gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung von AC2 und seiner Einzelmodule.


E-mail:

References

1 Goldberg, S. M.; Rosner, R.: Nuclear Reactors: Generation to Generation. American Academy of Arts and Sciences. Mar. 2011Search in Google Scholar

2 GRS: GRS Software User Area: , retrieved 2. July 2019Search in Google Scholar

3 Lerchl, G.; et al.: ATHLET Mod 3.2-User's Manual. distributed with ATHLET. June. 2019Search in Google Scholar

4 Austregesilo, H.; Bals, C.; Hollands, T.; Köllein, C.; Lovasz, L.; Luther, W.; Pandazis, P.; Schubert, J.-D.; Tiborcz, L.; Weber, S.: ATHLET-CD 3.2 User's Manual, GRS-P-4/Vol. 1, June 2019Search in Google Scholar

5 Steinbrück, M.; et al.: Prototypical Experiments on Air Oxidation of Zircaloy-4 at High Temperatures. FZKA 7257, Forschungszentrum Karlsruhe, 2007Search in Google Scholar

6 Buck, M.; Bürger, M.; Pohlner, G.; Rahman, S.: Modell-Entwicklung zum Verhalten von Kernschmelze im unteren Plenum des Reaktordruckbehälters für den Einbau in ATHLET-CD: Einfluss des Unfallablaufs auf die Kühlbarkeit und Zustände bei einem RDB-Versagen. Abschlussbericht zum Vorhaben 1501299, IKE 2-158, Stuttgart, 2009Search in Google Scholar

7 Cantrel, L.; Cousin, F.; Bosland, L.; Chevalier-Jabet, K.; Marchetto, C.: ASTEC V2 severe accident integral code: Fission product modelling and validation. Nuclear Engineering and Design272 (2014) 19520610.1016/j.nucengdes.2014.01.011Search in Google Scholar

8 Arndt, S.; Band, S.; Beck, S.; Eschricht, D.; Iliev, D.; Klein-Heßling, W.; Nowack, H.; Reinke, N.; Sonnenkalb, M.; Spengler, C.; Weber, G.: COCOSYS 3.0 User Manual. GRS-P-3/Vol. 1, May 2019Search in Google Scholar

9 Weber, G.; Funke, F.: Description of the Iodine Model AIM-3 in COCOSYS. GRS-A-3508, Gesellschaft für Anlagen-und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, (2009)Search in Google Scholar

10 Funke, F.; Langrock, G.; Kanzleiter, T.; Poss, G.; Weber, G.; Allelein, H.-J.: Iodine oxide behaviour in large scale THAI tests. 8th Meeting of the International Source Term ChemistrySearch in Google Scholar

11 Cranga, M.; Fabianelli, R.; Jacq, F.; Barrachin, M.; Duval, F.: The MEDICIS Code, a Versatile Tool for MCCI Modelling. Proceedings of ICAPP05, Seoul, Korea, May 15–19th, 2005, (2005)Search in Google Scholar

12 Spengler, C.: Direct Containment Heating (DCH) in European PWR-COCOSYS Model Development for Melt Entrainment and Application to DISCO-Experiments. ICAPP 2010, San Diego, USA, 2010Search in Google Scholar

13 Allelein, H.-J.; Breest, A.; Spengler, C.: Simulation of Core Melt Spreading with LAVA: Theoretical Background and Status of Validation. Proceedings of the OECD Workshop on Ex-Vessel Debris Coolability, pp. 189–200, Forschungszentrum, Karlsruhe, Germany. (2000)Search in Google Scholar

14 Balay, S.; et al.: PETSc Users Manual. Tech. rep. ANL-95/11-Revision 3.10. Argonne National Laboratory, 2018. URL: (cit. on pp. 14 sq.).Search in Google Scholar

15 Balay, S.; Gropp, W. D.; McInnes, L. C.; Smith, B. F.: Efficient Management of Parallelism in Object Oriented Numerical Software Libraries. In: Modern Software Tools in Scientific Computing. Ed. by E.Arge, A. M.Bruaset, and H. P.Langtangen. Birkhäuser Press, 1997, pp. 16320210.1007/978-1-4612-1986-6_8Search in Google Scholar

16 Amestoy, P. R.; et al.: MUMPS Web page. ; accessed Nov 09. 2018Search in Google Scholar

17 Steinhoff, T.; Jacht, V.: Ausbau und Modernisierung der numerischen Verfahren in den Systemcodes ATHLET, ATHLET-CD, COCOSYS und ASTEC. Final report, GRS-469. July 2017.Search in Google Scholar

18 CSNI Code Validation Matrix of Thermal-Hydraulic Codes for LWR LOCA and Transients. OECD-NEA-CSNI Report 132, Paris, March 1987Search in Google Scholar

19 Nuclear Energy Agency-Commitee on the Safety of Nuclear Installations: Containment Code Validation Matrix-NEA/CSNI/R(2014)3, 23-May-2014Search in Google Scholar

20 Hollands, T.; Buchholz, S.; Wielenberg, A.: Validation of the AC2 Modules ATHLET and ATHLET-CD. Kerntechnik84 (2019) 397Search in Google Scholar

21 Reinke, N.; Arndt, S.; Bakalov, I.; Band, S.; Beck, S.; Nowack, H.; Iliev, D.; Spengler, C.; Klein-Hessling, W.; Sonnenkalb, M.: Validation and Application of the AC2 module COCOSYS. Kerntechnik84 (2019) 414Search in Google Scholar

22 Leyer, S., Wich, M.: The Integral Test Facility Karlstein, Science and Technology of Nuclear Installations, Hindawi, Article ID 439374, 12 pages, 201210.1155/2012/439374Search in Google Scholar

23 Smart, J.: Jenkins: The Definitive Guide. O'Reilly Media, Sebastopol, CA (2011)Search in Google Scholar

24 Herb, J.: A continuous integration platform for the deterministic safety analyses code system AC2, Proceedings of the 26th International Conference on Nuclear Engineering ICON-26, July 22–26 2018, London, EnglandSearch in Google Scholar

Received: 2019-07-03
Published Online: 2019-10-04
Published in Print: 2019-10-14

© 2019, Carl Hanser Verlag, München