During the case of a hypothetical severe accident in a light water reactor, core damage may occur and molten fuel may interact with water resulting in explosive interactions. A Fuel-Coolant Interactions (FCI) consists of many complex phenomena whose characteristics determine the energetics of the interactions. The fuel melt initially undergoes fragmentation after contact with the coolant which subsequently increases the melt surface area exposed to coolant and causes rapid heat transfer. A substantial amount of research has been done to understand the phenomenology of FCI, still there are gaps to be filled in terms of the uncertainties in describing the processes such as breakup/fragmentation of melt and droplets. The objective of the present work is to substantiate the understanding in the premixing phase of the FCI process by studying the deformation/pre-fragmentation of melt droplets and also the mechanism of melt jet breakup. The focus of the work is to study the effect of various influential parameters during the premixing phase that determine the intensity of the energetics in terms of steam explosion. The study is based on numerical analysis starting from smaller scale and going to the large scale FCI. Efforts are also taken to evaluate the uncertainties in estimating the steam explosion loads on the reactor scale. The fragmented core is expected to form a porous debris bed. A part of the present work also deals with experimental investigations on the coolability of prototypical debris bed. Initially, the phenomenology of FCI and debris bed coolability is introduced. A review of the state of the art based on previous experimental and theoretical developments is also presented. The study starts with numerical investigation of molten droplet hydrodynamics in a water pool, carried out using the Volume Of Fluid (VOF) method in the CFD code ANSYS FLUENT. This fundamental study is related to single droplets in a preconditioning phase, i.e. deformation/pre-fragmentation prior to steam explosion. The droplet deformation is studied extensively also including the effect of the pressure pulse on its deformation behavior. The effect of material physical properties such as density, surface tension and viscosity are investigated. The work is then extended to 3D analysis as a part of high fidelity simulations, in order to overcome the possible limitations of 2D simulations. The investigation on FCI processes is then continued to the analysis on melt jet fragmentation in a water pool, since this is the crucial phenomenon which creates the melt-coolant pre-mixture, an initial condition for steam explosion. The calculations are carried out assuming non-boiling conditions and the properties of Wood’s metal. The jet fragmentation and breakup pattern are carefully observed at various Weber numbers. Moreover, the effect of physical and material properties such as diameter, velocity, density, surface tension and viscosity on jet breakup length, are investigated. After the fundamental studies, the work was extended to reactor scale FCI energetics. It is mainly oriented on the evaluation of uncertainties in estimating the explosion impact loads on the surrounding structures. The uncertainties include the influential parameters in the FCI process and also the code uncertainties in calculations. The FCI code MC3D is used for the simulations and the PIE (propagation of input errors) method is used for the uncertainty analysis. The last part of the work is about experimental investigations of debris coolability carried out using the POMECO-HT facility at KTH. The focus is on the determination of the effect of the bed’s prototypical characteristics on its coolability, in terms of inhomogeneity with heap like (triangular shape) bed and the radial stratified bed, and also the effect of its multi-dimensionality. For this purpose, four particle beds were constructed: two homogeneous, one with radial stratification and one with triangular shape, respectively. The effectiveness of coolability-enhanced measures such as bottom injection of water and a downcomer (used for natural circulation driven coolability, NCDC) was also investigated. The final chapter includes the summary of the whole work. / Under ett svårt haveri i en kärnkraftsreaktor kan en härdsmälta bildas och smältan växelverka på ett explosivt sätt med kylvattnet. En sådan FCI (Fuel-Coolant-Interaction) inbegriper flera fysikaliska processer vilkas förlopp bestämmer hur stor den frigjorda energin blir. Vid kontakt med vattnet fragmenteras först härdsmältan vilket i sin tur leder till att en större yta exponeras för kylvattnet och att värmeöverföringen från smältan snabbt ökar. Mycket forskning har ägnats åt att förstå vad som sker under en FCI men det finns fortfarande luckor att fylla vad beträffar t ex osäkerheter i beskrivningen av fragmentering av såväl smälta som enskilda droppar av smält material. Syftet med detta arbete är främst att underbygga en bättre förståelse av den inledande delen av en FCI genom att studera dels hur enskilda droppar av smält material deformeras och splittras och dels hur en stråle av smält material fragmenteras. Vi studerar särskilt vilka parametrar som mest påverkar den energi som frigörs vid ångexplosionen. Problemet studeras med numerisk analys med början i liten skala och sedan i full skala. Vi söker också uppskatta de laster som explosionen utsätter reaktorns komponenter för. En annan viktig fråga gäller kylbarheten hos den slaggansamling som bildas under reaktorhärden efter en FCI. Slagghögen förväntas ha en porös struktur och en del av avhandlingen redogör för experimentella försök som genomförts för att utvärdera kylbarheten i olika prototypiska slaggformationer. I avhandlingens inledning beskrivs de fysikaliska processerna under en FCI och kylningen av en slaggansamling. Det aktuella kunskapsläget på dessa områden presenteras också utgående från tidigare experimentella och teoretiska studier. Studierna i avhandlingen inleds med numerisk analys av hydrodynamiken för en enskild droppe smälta i en vattentank där VOF-metoden i CFD-programmet ANSYS FLUENT används. Denna grundläggande studie rör en enskild droppe under förstadiet till fragmentering och ångexplosion då droppen deformeras alltmer. Deformationen studeras ingående också med hänsyn tagen till inverkan av en tryckpuls. Inverkan av olika egenskaper hos materialet, som densitet, ytspänning och viskositet studeras också. Arbetet utvidgas sedan till en beskrivning i 3D för att undvika de begränsningar som finns i en 2D-simulering. Studierna av FCI utvidgas sedan till en analys av fragmentering av en stråle smälta i vatten. Detta är en kritisk del av förloppet då smälta och vatten blandas för att ge utgångstillståndet för ångexplosionen. Beräkningarna genomförs under antagande att kokning inte sker och med materialegenskaper som för Wood´s metall. Mönstret för fragmentering och uppsplittring studeras ingående för olika Weber-tal. Dessutom studeras effekten på strålens uppsplittringslängd av parametrar som diameter och hastighet för strålen samt densitet, ytspänning och viskositet hos materialet. Efter dessa grundläggande studier utvidgas arbetet till FCI-energier i reaktorskala. Här ligger tonvikten på utvärdering av osäkerheter i bestämningen av den inverkan explosionen har på omgivande konstruktioner och komponenter. Osäkerheterna inkluderar eventuell bristande noggrannhet hos såväl de viktiga parametrarna i FCI-processen som i själva beräkningarna. Den sista delen av arbetet handlar om experimentella undersökningar av slaggformationens kylbarhet som genomförts i uppställningen POMECO-HT vid avdelningen för kärnkraftsäkerhet på KTH. Vi vill bestämma effekten av formationens prototypiska egenskaper på kylbarheten. För detta ändamål konstruerades fyra olika formationer: två homogena, en med radiell variation i partikelstorlek och en med triangulär variation. Vi undersökte också hur förbättrad kylning kan uppnås genom att tillföra kylvatten underifrån respektive via ett fallrör (kylning genom naturlig cirkulation). I det avslutande kapitlet ges en sammanfattning av hela arbetet. / <p>QC 20150507</p>

This master thesis treats the numerical simulation of shaped charge jets and its fragmentation process. Shaped charges is a method to concentrate the effect of an explosive charge and penetrate deeply into a target due to a the formation of a jet with great penetration capabilities. The jet's penetration capability is limited by the eventual axial breakup and an understanding of the fragmentation process is great importance.  A literature review on the existing methods for studying the fragmentation process is presented. A physical model and its governing equations are thereafter derived based on the review. A Lagrangian approach is used to model the jet and equations based on conservation laws coupled with a constitutive relationship yielding a system of nonlinear partial differential equations.  Moreover, an analysis of the well-posedness of a simplified problem is investigated and its derived conditions are consistent with the physically expected. The flight and initial breakup of the jet is then studied numerically by employing a method of lines. The implemented numerical model's stability is investigated empirically and the theoretically expected rate of convergence is confirmed. The theoretical conditions for well-posedness are also confirmed numerically.  The derived model and its implementation is tested for a real charge and its results are compared with and found consistent with more advanced simulations. Furthermore, the jets physical properties are also investigated and the existence of a critical wavelength is shown.  The resulting model and its implementation is capable of calculating position, velocity and geometry at fragmentation. It can also be used to investigate the calculated fragmentation's dependency on different parameters and constitutive equation. The numerical simulation can therefore be used to increase the understanding under which conditions the jet breakup and which material- and geometry properties that dominates the rate in the fragmentation process. Possible future use is also as the foundation of a tool that can be used to evaluate analytical models. / Detta masterexamensarbete behandlar numerisk simulering av riktad sprängverkans fragmenteringsprocess. Riktad sprängverkan är en metod för att koncentrera verkan från en sprängladdning och tränga in ett mål genom att en stråle med hög penetrationsförmåga bildas. Strålens penetrationsförmåga är begränsad av en förekommande axiell uppdelning, således är fragmentationsförloppet av stor betydelse.  En litteraturstudie om de existerande metoderna för att studera fragmenteringsförloppet presenteras. Utifrån studien erhålls en fysikalisk modell med korresponderande styrande ekvationer. En Lagrange formulering används för att modellera strålen och konserveringsekvationer i kombination med en konstitutiv ekvation leder till ett högre ordningens system av partiella differentialekvationer.  Vidare utförs en rättställdhetsanalys för ett förenklat problem och de härledda villkoren överensstämmer med det fysikaliskt väntade beteendet.  Strålens utsträckning och fragmentering simuleras sedan numeriskt genom att använda en semidiskretisering och lösa de uppkomna ordinära differentialekvationerna. Den numeriska lösningens stabilitet testas empiriskt och den teoretiska förväntade konvergensordningen bekräftas. De teoretiska rättställdhetsvillkoren testas även i den numeriska simuleringen och bekräftas.  Den härledda modellen och dess implementering testas även för en riktig laddning och resultaten jämförs och bedöms tillfredsställande med en mer avancerad simulering. Därtill undersöks hur stålens konstitutiva relation påverkar fragmenteringsprocessen och det påvisas även en kritisk våglängds existens. Den resulterande modellen och dess implementation kan beräkna strålens position, hastighet och geometri vid fragmentering. Vidare kan den användas för att för att undersöka hur olika parametrar samt konstitutiva ekvationers form påverkar den beräknade fragmenteringen. Eventuell framtida användning kan även vara grunden för ett verktyg som används för att undersöka analytiska metoder.  Ytterligare arbete inom fortsatt fragmentering skulle vara nödvändigt för en komplett formulering av fortsatt simulering och penetrationen av fragment.

L'expérience ALICE, qui utilise les collisions d'ions lourds ultra-relativistes produites par le LHC au CERN, est dédiée à l'étude d'un nouvel état de la matière nucléaire, qui pourrait se présenter sous la forme d'un plasma de quarks et de gluons (QGP). Parmi les sondes portant des informations sur les propriétés de ce milieu, celles relatives à la production des jets de grande impulsion transverse sont particulièrement intéressantes. L'analyse présentée dans cette thèse s'intéresse aux évènements photon-jet, qui comportent un photon de grande impulsion transverse avec un jet émis dans la direction opposée. Ce dernier est issu de la fragmentation d'un parton, une fois qu'il a traversé le QGP. La thèse comprend une étude des observables pertinentes pour la mesure des corrélations photon-hadron ainsi qu'une analyse des premières données du LHC en collisions proton-proton. Des résultats préliminaires sur l'impulsion transverse des partons incidents et la fonction de corrélation ont ainsi été obtenus. / The ALICE experiment, which uses the ultra-relativistic heavy-ions collisions produced by the LHC at CERN, is dedicated to the study of a new state of nuclear matter, which could be composed of a Quark-Gluon Plasma (QGP). Among the probes sharing information on the medium properties, those relative to the production of high transverse momentum jets are very interesting. The analysis presented in this thesis is focused on photon-jet events, which contain one photon of high transverse momentum and one jet emitted in the opposite direction. The jet comes from the fragmentation of the initial parton, after passing through the medium. The thesis includes a simulation study of the relevant observables for the photon-hadron correlation measurement and an analysis of first data from LHC in proton-proton collisions. Preliminary results on the transverse momentum of incident partons and on the correlation function have been obtained.