Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: This project investigates aspects of a novel inherently safe nuclear power steam
supply system as safety is of paramount importance. The system envisaged has
unique features namely: a) a two-phase flow flash-tube type natural circulating
primary loop (also the secondary radioactive particle containment); b) a twophase
flow thermosyphon heat pipe type heat exchanger secondary loop is
used to transfer heat from the primary loop to the steam generators, thereby
physically separating the two flow streams from one another; c) a natural
convection air cooled condenser for the removal of the reactor’s residual heat;
d) a unique core using TRISO type fuel (acting as the primary radioactive
particle containment) with life of at least 8.9 years; e) a steel containment vessel
acting as a tertiary radioactive product containment; f) a concrete containing
structure with air vents to allow air to pass over the main steel containment
vessel for cooling purposes in the case of an emergency, and for the removal of
parasitic heat during operation.
In particular the primary and secondary loops of the proposed system are
investigated. This is done by design, construction and testing of a small scale
experimental set-up of the primary and secondary loops as well as the development
of theoretical models for the two loops. A literature survey focusing on
nuclear technology, thermosyphon loops, natural circulating loop instabilities,
heat pipes, and two-phase flow modelling is presented to give a brief overview
of the technologies as well as tools used in the work undertaken.
Observations of the inside flow behaviour of the primary loop experimental
set-up were made possible by windows providing many insights into the inner
workings, such as plume formation and geysering. The transient response of
the secondary heat pipe loop start-up is also investigated.
A thermal resistance theoretical model was developed for the secondary
loop using heat transfer formulae from theory as well as experimentally semiempirical
correlated formula. Different states of operation of the secondary
loop were observed during testing with the theoretical model of the condensing regime correlating well, two-phase regime correlating acceptably and liquid
regime correlating poorly to experimental results and thus were modelled using
an experimentally determined overall heat transfer coefficient. The secondary
loop model of the liquid regime is coupled with the primary loop theoretical
model to predict the system’s performance.
A homogeneous, one-dimensional, simple theoretical model for the primary
loop was derived and computer simulated. The results did not compare well
with experimental results for single phase flow and failed to capture the onset
of two-phase flow. The assumptions of one dimensional model with a unidirectional
flow, a hydrostatic pressure problem, a constant volumetric flow rate
and the inability of the implementation of the code to handle expansion are
noted as some of the flaws in the theoretical model.
The following recommendations are made: a more advanced design of the
pressuriser should be incorporated into the experiment; the secondary loop’s
theoretical model should be characterised under a broader set of operating
conditions; the computer program can be used as the basis for further research
and implementation of alternative solution algorithms and models. / AFRIKKANSE OPSOMMING: Hierdie projek ondersoek aspekte van ’n ongewone, essensieel veilige kernkrag
stoomtoevoer-stelsel, omdat veiligheid van kardinale belang is. Die stelsel wat
voorgestel is, het unieke eienskappe, naamlik: a) ’n twee-fasevloei flits-buistipe
natuurlik sirkulerende primêre lus (wat ook die sekondêre inperking van
radioaktiewe materiaal bevat); b) ’n twee-fasevloei termo-heweleffek sekondêre
lus hitte-pyp hitte-uitruiler word gebruik om die hitte vanaf die primêre lus
oor te dra na die stoomkragopwekkers en daardeur word die twee strome se
vloei fisies geskei van mekaar; c) ’n natuurlike konveksie lugverkoelde kondensor
word gebruik vir die verwydering van die reaktors se oortollige hitte; d) ’n
unieke kern gebruik TRISO-tipe brandstof (wat as die primêre inperking van
radioaktiewe materiaal optree) met ’n lewe van minstens 8.9 jaar; e) ’n inperkingshouer
van staal wat optree as ’n tersiêre radioaktiewe produkhouer; f) ’n
betonstruktuur met lugventilasie om toe te laat dat lug oor die hoof staalhouer
vloei vir verkoeling in ’n noodgeval, en vir die verwydering van parasitiese hitte
tydens werking.
Hoofsaaklik word die primêre en sekondêre lusse van die voorgestelde stelsel
ondersoek. Dit word gedoen deur die ontwerp, konstruksie en die toets
van ’n eksperimentele opstelling van die primêre en sekondêre lusse op klein
skaal, sowel as die ontwikkeling van teoretiese modelle vir die twee lusse. ’n Literatuurstudie
wat fokus op kerntegnologie, termo-heweleffeklusse, natuurlik
sirkulerende lus instabiliteit, hitte-pype, en twee-fase vloeimodellering word
aangebied om ’n kort oorsig te gee van die tegnologie, sowel as gereedskap
gebruik in die werk wat onderneem is.
Om die interne vloeigedrag van die primêre lus se eksperimentele opstelling
waar te neem, word daar gebruik gemaak van vensters wat dien as ’n manier
om die innerlike werking van die proses soos pluimvorming en die kook van die water in die warmwaterkolom te toon. Die oorgangsreaksie van die sekondêre
hittepyplus aanvangs is ook ondersoek.
’n Teoretiese termiese weerstandmodel is ontwikkel vir die sekondêre lus
met behulp van hitte-oordragformules waarvoor hitte-oordragteorie gebruik
is, wat met eksperimentele semi-empiriese formules gekorreleer is. Verskillende
toestande van die sekondêre lus se werking is waargeneem gedurende die toetse.
Die teoretiese model het goed met die kondensasiestaat gekorreleer, terwyl by
die twee-fasewerkswyse aanvaarbare korrellasies aangetref is en die uiteindelike
vloeitoestand swakker gekorrelleer het met eksperimentele resultate en dus
gemodelleer is met behulp van die NTU-effektiwiteitsmetode. Die sekondêre
lusmodel van die vloeistoftoestand is gekoppel met die primêre lus teoretiese
model om die werking van die stelsels te voorspel.
’n Homogene een-dimensionele eenvoudige teoretiese model van die primêre
lus is afgelei en ’n rekenaar simulasie is uitgevoer. Die resultate vergelyk nie
goed met die eksperimentele resultate vir enkelfasevloei en kon nie die aanvang
van twee-fasevloei beskryf nie. Die aannemings van ’n een-dimensionele
model met eenrigting vloei, ’n hidrostatiese druk probleem, ’n konstant volumetries
vloeitempo en die onvermoë van die implementering van die kode
om uitbreiding te hanteer is bekend as ’n paar van die foute in die teoretiese
model.
Die volgende aanbevelings word gemaak: ’n meer gevorderde ontwerp van
drukreëlaar moet in die eksperiment ingesluit word; die sekondêre lus se teoretiese
model moet gekenmerk word onder ’n wyer stel bedryfsomstandighede,
en die rekenaar program kan gebruik word as die basis vir verdere navorsing
en die implementering van alternatiewe algoritmes en modelle.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:netd.ac.za/oai:union.ndltd.org:sun/oai:scholar.sun.ac.za:10019.1/96050 |
| Date | 12 1900 |
| Creators | Loubser, Karl Albie |
| Contributors | Dobson, R. T., Stellenbosch University. Faculty of Engineering. Department of Mechanical and Mechatronic Engineering. |
| Publisher | Stellenbosch : Stellenbosch University |
| Source Sets | South African National ETD Portal |
| Language | en_ZA |
| Detected Language | Unknown |
| Type | Thesis |
| Format | xix, 96, [43] p. : ill. |
| Rights | Stellenbosch University |
Page generated in 0.003 seconds