ML20134K080: Difference between revisions

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MEMORANDUM T0:             Charles Ader, Chief Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research l
(
THRU:                     Charles Tinkler Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research FROM:                     Richard Lee Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research                                               ,
Augu st 26, 1996 i
MEMORANDUM T0:
Charles Ader, Chief Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology l
Office of Nuclear Regulatory Research THRU:
Charles Tinkler Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research FROM:
Richard Lee Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research


==SUBJECT:==
==SUBJECT:==
==SUMMARY==
==SUMMARY==
OF MEETING AUGUST 19-20, 1996 MEETING AT FAUSKE AND ASSOCIATES, INC., IN BURR RIDGE, ILLIN0IS.
OF MEETING AUGUST 19-20, 1996 MEETING AT FAUSKE AND ASSOCIATES, INC., IN BURR RIDGE, ILLIN0IS.
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==Enclosure:==
==Enclosure:==
As stated Distribution:
As stated Distribution:
DST Chron, AEB r/f, Lee r/f, Lee, Tinkler, Ader, King, Hodges CF   (.       N PDR[ Yj       N
DST Chron, AEB r/f, Lee r/f, Lee, Tinkler, Ader, King, Hodges CF
                          "                      DOCUMENT NAME: Ader3.mem                     DISK: Iae 3 To r:ceive e copy of this document. indient in the box: *c" copy withaut enclosure /*E" = Copy with enclosures *N" No copy 0FFICE         AEB/ DST /RES     J       AEB           f   T     AEB \ /l                                     l               l NAME           Lee EU                   Tinkler LW L             Ader X DATE           08/;l/96                 08/24t/96               08/ //96 N                 08/ /96               08/ /96 0FFICIAL K CORD COPY (RES File Code) RES               2C-2                                 ,
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l NAME Lee EU Tinkler LW L Ader X DATE 08/;l/96 08/24t/96 08/ //96 N 08/ /96 08/ /96 0FFICIAL K CORD COPY (RES File Code) RES 2C-2 9611180230 960826 PDR ORG NRED PDR NRC FILE CENTER CGPY


I .
I Enclosure Meeting Summary SCDAP/RELAP5 code modeling of natural circulation under severe accident conditions August 19-20, 1996 Fauske & Associates, Inc.
Enclosure Meeting Summary SCDAP/RELAP5 code modeling of natural circulation under severe accident conditions August 19-20, 1996 Fauske & Associates, Inc.
16WO7 West 83rd Street Burr Ridge, IL
<                                        16WO7 West 83rd Street Burr Ridge, IL


==Participants:==
==Participants:==
j t            R. Viskanta, Purdue University                                                 l M. Ishii, Purdue University                                                 ..
j R. Viskanta, Purdue University t
P. Griffith, Massachusetts Institute of Technology C. Ader, C. Tinkler, R. Lee, J. Donoghue, J. Staudenmeier, USNRC               1 D. Knudson, E. Harvego, P. Bayless, Idaho National Engineering                 l 1
M. Ishii, Purdue University P. Griffith, Massachusetts Institute of Technology C. Ader, C. Tinkler, R. Lee, J. Donoghue, J. Staudenmeier, USNRC 1
Laboratory I. Catton, ACRS-NRC                                                           i M. Epstein, R. Henry, Fauske & Associates                                       l Note: Reviewers are Viskanta, Ishii and Griffith (consultants of Energy               ;
D. Knudson, E. Harvego, P. Bayless, Idaho National Engineering 1
Research, Inc.). Catton participated as an observer for ACRS. R. Henry i participatad as a representative of the nuclear industry.
Laboratory I. Catton, ACRS-NRC i
l Summary:
M. Epstein, R. Henry, Fauske & Associates Note: Reviewers are Viskanta, Ishii and Griffith (consultants of Energy i
The meeting commenced at 9:00 a.m. on August 19, 1996, with the               ;
Research, Inc.).
;              introduction of the agenda by R. Lee (Attachment 1). An introduction on       l the. purpose of the meeting, and background on the SCDAP/RELAP5 (SR5) modelling of natural circulation under severe accident conditions was i
Catton participated as an observer for ACRS.
provided by C. Tinkler (Attachment 2). I. Catton stated his views on the scaling of the Westinghouse 1/7 scale natural circulation experiments, and how uncertainties should be treated in estimating risk for steam generator tube failures. P. Bayless presented the background on the development of the SR5 model (Attachment 3). Next, R. Henry gave a presentation on the Westinghouse 1/7 scale experiments (Attachment 4).
R. Henry participatad as a representative of the nuclear industry.
After, Henry's presentation, Bayless returned to present the benchmarking of SR5 against the Westinghouse 1/7 scale experiments, and discussed the use of SRS to analyze natural circulation in the Surry plant (Attachment 3). Next, D. Knudson presented the most'recent SR5 analyses of the Surry plant (attachment 5). Throughout these presentations, discussions took place among the reviewers and participants on subjects presented. On August 20, 1996, J. Donoghue discussed how the SR5 analysis results are being used in estimating the risk associated with steam generator tube failure (Attachment 6). After some discussion, the reviewers caucused among themselves. Thereafter, P. Griffith provided their preliminary comments on the meeting. The reviewers stated their view that (a) the experimental (Westinghouse 1/7
Summary:
The meeting commenced at 9:00 a.m. on August 19, 1996, with the introduction of the agenda by R. Lee (Attachment 1). An introduction on l
the. purpose of the meeting, and background on the SCDAP/RELAP5 (SR5) i modelling of natural circulation under severe accident conditions was provided by C. Tinkler (Attachment 2).
I. Catton stated his views on the scaling of the Westinghouse 1/7 scale natural circulation experiments, and how uncertainties should be treated in estimating risk for steam generator tube failures.
P. Bayless presented the background on the development of the SR5 model (Attachment 3). Next, R. Henry gave a presentation on the Westinghouse 1/7 scale experiments (Attachment 4).
After, Henry's presentation, Bayless returned to present the benchmarking of SR5 against the Westinghouse 1/7 scale experiments, and discussed the use of SRS to analyze natural circulation in the Surry plant (Attachment 3).
Next, D. Knudson presented the most'recent SR5 analyses of the Surry plant (attachment 5). Throughout these presentations, discussions took place among the reviewers and participants on subjects presented.
On August 20, 1996, J. Donoghue discussed how the SR5 analysis results are being used in estimating the risk associated with steam generator tube failure (Attachment 6).
After some discussion, the reviewers caucused among themselves. Thereafter, P. Griffith provided their preliminary comments on the meeting.
The reviewers stated their view that (a) the experimental (Westinghouse 1/7


4 4                                                                                   .
4 4
2 scale experiments) data was good and that the experiment was well.
2 scale experiments) data was good and that the experiment was well.
designed, and additional experimental data was not needed; and (b) the code (SR5) was certainly adequate for the job (i.e., to calculate             '
designed, and additional experimental data was not needed; and (b) the code (SR5) was certainly adequate for the job (i.e., to calculate natural circulation under severe accident conditions), the implementation of the code was good and the constitutive relationships used by SR5 were adequate. They recommended additional activit for the purpose of demnnstrating more clearly the adequacy of the modeling (i.e., establishing a " figure of merit" by summarizing the experimental data and the analytical (SR5 calculations) results in a fashion (e.g.,
natural circulation under severe accident conditions), the implementation of the code was good and the constitutive relationships used by SR5 were adequate. They recommended additional activit for the purpose of demnnstrating more clearly the adequacy of the modeling (i.e., establishing a " figure of merit" by summarizing the experimental data and the analytical (SR5 calculations) results in a fashion (e.g.,
temperature vs. time) to show that the experimental data and the analytical results give the same systematic overall behavior in the reactor system being studied.
temperature vs. time) to show that the experimental data and the analytical results give the same systematic overall behavior in the reactor system being studied. P. Griffith went on to state his
P. Griffith went on to state his additional view that once a " figure of merit" was established, it would be worthwhile to perform a few sensitivity calculations for parameters which may vary widely (e.g., a factor of 2, affecting the heatup rates of different reactor components (e.g., surge line, hot leg, steam generator tubes)). After a brief discussion to clarify some of the reviewers' comments, the meeting was adjourned around 1:00 p.m.
-        additional view that once a " figure of merit" was established, it would be worthwhile to perform a few sensitivity calculations for parameters which may vary widely (e.g., a factor of 2, affecting the heatup rates of different reactor components (e.g., surge line, hot leg, steam generator tubes)). After a brief discussion to clarify some of the ..
reviewers' comments, the meeting was adjourned around 1:00 p.m.
Attachments: As stated i
Attachments: As stated i


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ATTM PMEtet i, SCDAP/RELAP5 cods modeling of natural circulation under severe accident conditions August 19-20, 1996 l
ATTM PMEtet i, SCDAP/RELAP5 cods modeling of natural circulation under severe accident conditions August 19-20, 1996 l
Fauske & Associates,Inc.
Fauske & Associates,Inc.
16WO7 West 83rd Street Burr Ridge, IL AGENDA i       August 19,1996 1
16WO7 West 83rd Street Burr Ridge, IL AGENDA i
a)     9:00 a.m.             Opening Remarks                               SRC b)                   SCDAP/RELAP5 (SRS) m6deling sf naturht cirestation anld steam generator _(SG)~
August 19,1996 1
a) 9:00 a.m.
Opening Remarks SRC b)
SCDAP/RELAP5 (SRS) m6deling sf naturht cirestation anld steam generator _(SG)~
tube heating in a PWRs
tube heating in a PWRs
                              ? Model development and'assessmentiand
? Model development and'assessmentiand
                              . scallag isseen 9:15 a.m.       .      development of SR5 model
. scallag isseen development of SR5 model 9:15 a.m.
                                        -      in-vessel natural circulation
in-vessel natural circulation hot leg countercurrent now SG inlet plenum mixing heat transfer modeling (in SG hot leg, surge line)
                                        -      hot leg countercurrent now
INEL 10:45 a.m.
                                        -      SG inlet plenum mixing
' Break
                                        -      heat transfer modeling (in SG hot leg, surge line)               INEL 10:45 a.m.           ' Break 11:00 a.m.     .      W scale experiments
_1/7 scale experiments FAI W
_1/7                                          FAI 11:45 a.m.               Discussion                                 Reviewers 12:15 p.m.               Lunch 1:15 p.m.     .        SR5 assessment                              ISTL 2:15 p.m.               Discussion                                   Reviewers 3:00 p.m.               Break c)                     Applicatida"of SR5 for PWR analyses               .
11:00 a.m.
3:15 p.m.       -      Surry                                        INTL
11:45 a.m.
* modelling uncertainties                     INEL 4:15 p.m.                 Discussion                                 Reviewers 5:00 p.m.               Adjourn
Discussion Reviewers 12:15 p.m.
Lunch SR5 assessment ISTL 1:15 p.m.
2:15 p.m.
Discussion Reviewers 3:00 p.m.
Break c)
Applicatida"of SR5 for PWR analyses Surry INTL 3:15 p.m.
modelling uncertainties INEL 4:15 p.m.
Discussion Reviewers 5:00 p.m.
Adjourn


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August 20,1996
August 20,1996 d)
                                                                                                                  . I d)                         Application of SR5 for PWR analyses l(contfaned) i 9:00 a.m.     -      Most recent SRS application                                                  j i
Application of SR5 for PWR analyses l(contfaned) i Most recent SRS application j
for P%Rs                                       INEL I
9:00 a.m.
Discussion                                      Reviewers 10:00 a.m.
i for P%Rs INEL 10:00 a.m.
10:30 a.m.               Break                                                                       l e)         10:45 a.m.     -      A perspective on the use of SR5                                              I thermal hydraulic analyses (including affects of fission products transport)           NRC       ,
Discussion Reviewers 10:30 a.m.
i Reviewers                  l 11:15 a.m.               Discussion / Comments l
Break A perspective on the use of SR5 e) 10:45 a.m.
i 12:00 p.m.               Lunch 1:15 p.m.             Comments / Discussion All l
thermal hydraulic analyses (including affects of fission products transport)
l 2:30 p.m.             Adjourn l
NRC i
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12:00 p.m.
Lunch 1:15 p.m.
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1 Review of SCDAP/RELAP5 Modelling for                                                                                                                                                                         ~
1 Review of SCDAP/RELAP5 Modelling for
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Assessment of Steam Generator Tube Integrity August 19-20, 1996 4
Assessment of Steam Generator Tube Integrity August 19-20, 1996 4
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REVIEW OF SCDAP/RELAP5 MODELLING OF NATURAL CIRCULATION UNDER                                                             ;
REVIEW OF SCDAP/RELAP5 MODELLING OF NATURAL CIRCULATION UNDER SEVERE ACCIDENT CONDITIONS Objective:
SEVERE ACCIDENT CONDITIONS Objective:
Obtain independent assessment of the adequacy of SCDAP/RELAP5 modelling of l
Obtain independent assessment of the adequacy of SCDAP/RELAP5 modelling of l
natural circulation under severe accident conditions for the purpose of calculating the relative timing and failure of RCS components in order to evaluate the risk associated with thermally-induced steam generator tube ruptures                                                                 ;
natural circulation under severe accident conditions for the purpose of calculating the relative timing and failure of RCS components in order to evaluate the risk associated with thermally-induced steam generator tube ruptures Reviewers:
Reviewers:
3 Consultants to Energy Research Incorporated (ERI):
Consultants to Energy Research Incorporated (ERI):
Raymond Viskanta (Purdue University)
Raymond Viskanta (Purdue University)                                                                         '
Mamoru Ishii (Purdue University) l Peter Griffith (Massachusetts Institute of Technology) l Schedule:
Mamoru Ishii (Purdue University)                                                                             l Peter Griffith (Massachusetts Institute of Technology)                                                       l Schedule:
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Review Group to provide its conclusion to ERI by 8/30/%.
Review Group to provide its conclusion to ERI by 8/30/%.
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t REVIEW OF SCDAP/RELAPS MODELLING OF NATURAL CIRCULATIO l
REVIEW OF SCDAP/RELAPS MODELLING OF NATURAL CIRCULATIO                                         ;
SEVERE ACCIDENT CONDITIONS f
SEVERE ACCIDENT CONDITIONS                                                                     f i
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1 BACKGROUND As part of the rulemaking on steam generator tube integrity, an issue has been rais relative to the performance of flawed tubes and their likelihood of failure during a severe accident. The concern arises due to hot gases circulating through the steam generator tubes and inducing tube failure due to the elevated temperature of the           .
1 BACKGROUND f
Past SCDAP/RELAPS (SR5) analyses performed in conjunction with DCII issue
As part of the rulemaking on steam generator tube integrity, an issue has been raisl relative to the performance of flawed tubes and their likelihood of failure during a 9
'      resolution assessed the relative heatup and failure (using creep rupture models) of RCS components (i.e., hot leg, surge line, unflawed SG tubes and the RPV lower head)
i severe accident. The concern arises due to hot gases circulating through the steam j
The calculations considered a standard TMLB' sequence (with a pressurized secondary system).
generator tubes and inducing tube failure due to the elevated temperature of the r
Current analyses focused on sequence with depressurized steam generator (on               i pressurizer h>op). Greater challenge to tubes but a lower probability due to failures required.
Past SCDAP/RELAPS (SR5) analyses performed in conjunction with DCII issue resolution assessed the relative heatup and failure (using creep rupture models) of RCS O
Additional analyses to address mixing /phenomenological uncertainties.
components (i.e., hot leg, surge line, unflawed SG tubes and the RPV lower head)
9   SR5 analyses are to assist in addressing the thermally-induced SGTR. Spontaneous SGTR and pressure-induced SGTR are examined separately.                                .
The calculations considered a standard TMLB' sequence (with a pressurized secondary; system).
h i
Current analyses focused on sequence with depressurized steam generator (on i
pressurizer h>op). Greater challenge to tubes but a lower probability due to S
failures required.
Additional analyses to address mixing /phenomenological uncertainties.
9 SR5 analyses are to assist in addressing the thermally-induced SGTR. Spontaneous 1
9 SGTR and pressure-induced SGTR are examined separately.
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REVIEW OF SCDAP/RELAP5 MODELLING OF NATURAL CIRCULATION SEVERE ACCIDENT CONDITIONS Past usage of SR5 calculations with natural c:rculation modelling:
i REVIEW OF SCDAP/RELAP5 MODELLING OF NATURAL CIRCULATION l SEVERE ACCIDENT CONDITIONS Past usage of SR5 calculations with natural c:rculation modelling:
e                      SR5 use to address natural circulation in the reactor system as one of the major areas of uncertainty identified in NURGE-0956 (" reassessment of the Technical Bases for Estimating Source Terms,7/86). Specifically, SR5 analyses were performed for a Surry TMLB' accident (NUREG/CR-5214,10/88) e                        SR5 was also used to assess failures of ex-vessel components (hot leg, surge line, steam generator tube) vs. RPV lower head under the direct containment heating (DCII) issue resolution for PWRs. Results were peer reviewed.
SR5 use to address natural circulation in the reactor system as one of the major l
e areas of uncertainty identified in NURGE-0956 (" reassessment of the Technical Bases for Estimating Source Terms,7/86). Specifically, SR5 analyses were performed for a Surry TMLB' accident (NUREG/CR-5214,10/88) i SR5 was also used to assess failures of ex-vessel components (hot leg, surge line, r
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steam generator tube) vs. RPV lower head under the direct containment heating l
(DCII) issue resolution for PWRs. Results were peer reviewed.
Zion DCII issue resolution (NUREG/CR-6075, Supp.1,12/94),
Zion DCII issue resolution (NUREG/CR-6075, Supp.1,12/94),
Surry DCII issue resolution (NURGE/CR-6109, 5/95),
Surry DCII issue resolution (NURGE/CR-6109, 5/95),
DCII issue resolution for Westinghouse plants with large dry containments or subatmospheric containments (NUREG/CR-6338, 2/96)
i DCII issue resolution for Westinghouse plants with large dry containments or subatmospheric containments (NUREG/CR-6338, 2/96)
                                    -      Peer reviewers: Levy-LA, IIenry-FAI, Moody-GE, Modarres-Univ. of Md, Sheppard-Cal. Tech, Ishii-Purdue e                            SRS was also used to assist peer reviewers (Levy, IIenry, Ishii, Moody.
Levy-LA, IIenry-FAI, Moody-GE, Modarres-Univ. of Md, Peer reviewers:
Corradini) in establishing initial conditions (e.g., melt mass and composition) for the CE DCII testing.                                                                                                                                             s
Sheppard-Cal. Tech, Ishii-Purdue i
SRS was also used to assist peer reviewers (Levy, IIenry, Ishii, Moody.
Corradini) in establishing initial conditions (e.g., melt mass and composition) for e
the CE DCII testing.
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i Summary of Results                                                   .
i Summary of Results O
O Plant analysis performed for representative designs
Plant analysis performed for representative designs Surry SV)
* Surry SV)
ANO-2 (CE)
* ANO-2 (CE) e Analyses consistently showed that for countercurrent flow severe accident conditions                     ,
Analyses consistently showed that for countercurrent flow severe accident conditions e
first failures occurred at surge line or hot leg nozzle
first failures occurred at surge line or hot leg nozzle 1
* Surge line or hot leg failure occurred 20-40 minutes before SG tube railure
Surge line or hot leg failure occurred 20-40 minutes before SG tube railure Sensitivities done on T-II modelling did not alter finding on tube integrity i
* Sensitivities done on T-II modelling did not alter finding on tube integrity i
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i SCDAP/RELAP5 SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION MODELING AND APPLICATIONS                                               ;
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i PAUL D. BAYLEss, INEL                                           :
SCDAP/RELAP5 SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION i
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MODELING AND APPLICATIONS i
NRC MEETING ON SCDAP/RELAPS CODE MODELING OF NATURAL CIRCULATION                                 I UNDER SEVERE ACCIDENT CONDITIONS                                       '
PAUL D. BAYLEss, INEL i
August 19-20, 1996 BURR RIDGE, Il                                     ]         ;
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NRC MEETING ON SCDAP/RELAPS CODE MODELING OF NATURAL CIRCULATION I
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UNDER SEVERE ACCIDENT CONDITIONS August 19-20, 1996 BURR RIDGE, Il
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DUTLINE BACKGROUND SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION FLOW DESCRIPTION SCDAP/RELAP5 INPUT MODEL DEVELOPMENT RELAPS ASSESSMENT WITH WESTINGHOUSE EXPERIMENTS PLANT APPLICATIONS t
DUTLINE BACKGROUND SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION FLOW DESCRIPTION SCDAP/RELAP5 INPUT MODEL DEVELOPMENT j
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RELAPS ASSESSMENT WITH WESTINGHOUSE EXPERIMENTS PLANT APPLICATIONS t
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t WHY INVESTIGATE SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION FLOWS?
t WHY INVESTIGATE SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION FLOWS?
NUREG-0956 IDENTIFIED NATURAL CIRCULATION AS A SEVERE ACCIDENT ISSUE.
NUREG-0956 IDENTIFIED NATURAL CIRCULATION AS A SEVERE ACCIDENT ISSUE.
ANALYSES FOR ORIGINAL NUREG-1150 DID NOT CONSIDER NATURAL CIRCULATION.
ANALYSES FOR ORIGINAL NUREG-1150 DID NOT CONSIDER NATURAL CIRCULATION.
WESTINGHOUSE WAS PERFORMING NC EXPERIMENTS UNDER EPRI SPONSORSHIP.
WESTINGHOUSE WAS PERFORMING NC EXPERIMENTS UNDER EPRI SPONSORSHIP.
NRC WAS LOOKING AT THE PROBLEM ANALYTICALLY.                               l i
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NRC WAS LOOKING AT THE PROBLEM ANALYTICALLY.
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NATURAL CIRCULATION FLOWS TRANSFER HEAT FROM THE
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t NATURAL CIRCULATION FLOWS TRANSFER HEAT FROM THE CORE TO OTHER RCS STRUCTURES.
UPPER PLENUM STRUCTURE MELTING                                                                   i RCS PIPING FAILURE HPME OR LPME (CONTAINMENT INTEGRITY CONSIDERATION)                                           i ACCUMULATOR INJECTION                                                                         t SG TUBE FAILURE
UPPER PLENUM STRUCTURE MELTING i
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Severe Accident Natural Circulation Flows Steam Pressurizer       generator Steam                                                  q generator I
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: In-vessel i circulation Loop natural OiO
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NATURAL CIRCULATION FLOW CHARACTERISTICS IN-VESSEL NATURAL CIRCULATION DRIVEN'BY RADIAL POWER GRADIENT IN THE CORE.                                                                                                                                                                                                                                 l FOLLOWS THE CORE LIQUID LEVEL DOWN ADDITIONAL COLD RETURN PATH (IN CORE BYPASS PLANTS) WHEN LEVEL DROPS BELOW BOTTOM OF CORE FORMER PLATES HOT LEG NATURAL CIRCULATION FLOW CONTROLLED BY MIXING IN THE SG INLET                                                                                                                                                                 .
NATURAL CIRCULATION FLOW CHARACTERISTICS IN-VESSEL NATURAL CIRCULATION DRIVEN'BY RADIAL POWER GRADIENT IN THE CORE.
PLENUM.
l FOLLOWS THE CORE LIQUID LEVEL DOWN ADDITIONAL COLD RETURN PATH (IN CORE BYPASS PLANTS) WHEN LEVEL DROPS BELOW BOTTOM OF CORE FORMER PLATES HOT LEG NATURAL CIRCULATION FLOW CONTROLLED BY MIXING IN THE SG INLET PLENUM.
          -  PORY OPENING INTERRUPTS FLOW, BUT IT IS QUICKLY RE-ESTABLISHED WHEN                                                                                                                                                         !
PORY OPENING INTERRUPTS FLOW, BUT IT IS QUICKLY RE-ESTABLISHED WHEN VALVES CLOSE i
VALVES CLOSE                                                                                                                                                                                                                 i e
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RELAP5   HEAT TRANSFER     PACKAGE IS USED.
THE STANDARD RELAP5 HEAT TRANSFER PACKAGE IS USED.
THE    STANDARD                                                                            .
t TURBULENT OR LAMINAR FLOW FORCED OR NATURAL CONVECTION CONVECTIVE HEAT TRANSFER Bhi..-wa THE FLUID AND STRUCTURES 1-DIMENSIONAL TREATMENT NO MODELING OF RADIATION OR FLUID-TO-FLUID HEAT TRANSFER b
TURBULENT OR LAMINAR FLOW FORCED OR NATURAL CONVECTION CONVECTIVE HEAT TRANSFER Bhi..-wa THE FLUID AND STRUCTURES 1-DIMENSIONAL TREATMENT NO MODELING OF RADIATION OR FLUID-TO-FLUID HEAT TRANSFER b
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RELAP5 SINGLE PHASE HEAT TRANSFER CORRELATIONS FORCED CONVECTION                                                                                                                                                             :
RELAP5 SINGLE PHASE HEAT TRANSFER CORRELATIONS FORCED CONVECTION TURBULENT FLOW:
TURBULENT FLOW:                 DITTuS-BOELTER LAMINAR FLOW:                 SELLARS, Nu = 4.36                                                                                                                           i CHURCHILL-CHU (VERTICAL) , MCADAMS (HORIZONTAL)
DITTuS-BOELTER LAMINAR FLOW:
SELLARS, Nu = 4.36 i
FREE CONVECTION:
FREE CONVECTION:
CODE USES THE MAXIMUM OF THE FORCED AND FREE CONVECTION HEAT TRANSFER                                                                                                         L COEFFICIENTS.                                                                                                                                                                 !
CHURCHILL-CHU (VERTICAL), MCADAMS (HORIZONTAL) f CODE USES THE MAXIMUM OF THE FORCED AND FREE CONVECTION HEAT TRANSFER L
COEFFICIENTS.
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CONVECTION.)
(NEARLY ALL OF THE CALCULATIONS WERE IN TURBULENT FORCED t
(NEARLY ALL OF THE CALCULATIONS WERE IN TURBULENT FORCED t
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SCDAP/RELAPS NODALIZATION DEVELOPMENT THE HOT LEG WAS SPLIT INTO TOP AND BOTTOM HALVES TO MODEL THE COUNTERCURRENT FLOW, SINCE THAT FLOW IS NOT POSSIBLE WITHIN A CONTROL                                           -
SCDAP/RELAPS NODALIZATION DEVELOPMENT
VOLUME OF A 1-DIMENSIONAL CODE.
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THE HOT LEG WAS SPLIT INTO TOP AND BOTTOM HALVES TO MODEL THE COUNTERCURRENT FLOW, SINCE THAT FLOW IS NOT POSSIBLE WITHIN A CONTROL VOLUME OF A 1-DIMENSIONAL CODE.
THE HOT / COLD FLOW STEAM GENERATOR TUBE SPLIT WAS SET TO 35/65%, BASED ON THE LOW PRESSURE EXPERIMENTS.
THE HOT / COLD FLOW STEAM GENERATOR TUBE SPLIT WAS SET TO 35/65%, BASED ON THE LOW PRESSURE EXPERIMENTS.
VARIOUS NODALIZATION SCHEMES WERE TRIED.
VARIOUS NODALIZATION SCHEMES WERE TRIED.
THE NODALIZATION USED PRESERVED THE CHARACTER OF THE FLOW PATTERN WHILE MINIMIZING UNPHYSICAL BEHAVIOR.
l THE NODALIZATION USED PRESERVED THE CHARACTER OF THE FLOW PATTERN WHILE MINIMIZING UNPHYSICAL BEHAVIOR.
THREE RADIAL RINGS WERE USED IN THE CORE AND UPPER PLENUM, CONNECTED BY CROSSFLOW JUNCTIONS.
THREE RADIAL RINGS WERE USED IN THE CORE AND UPPER PLENUM, CONNECTED BY CROSSFLOW JUNCTIONS.
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Surry 3-Channel Reactor Vessel Nocalization
Surry 3-Channel Reactor Vessel Nocalization
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                                                            ......                               i
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                                                                                      --        0 -1        ---
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                                                                " 11 3 f 112                 f111
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Cross Section of Three Channel Core Region
Cross Section of Three Channel Core Region
                                                        ,1--.     11----<-                           /
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                                    .,;.............~~~~'                         ,                                                Core barrel
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                            'TZZZa ..........                                 e......... MC
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                                                                                                                .                      Core bypass
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.....jou,
i......                           ! .... %.,          Outer channel 36 fuel assemblies
Core baffle
                                                                                                                            !. .U i,                         , . . . .!                                          !. . . . .,
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relative power = 0.76
relative power = 0.76
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96 fuel assemblies relative power = 1.05
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w, :....
w ,..........                                           ........w Center channel i .............        i 26 iueI assemb!ies relative power = 1.17 f
Center channel w,..........
........w i
i 26 iueI assemb!ies relative power = 1.17 f
LNB7055-10 1
LNB7055-10 1
l                                                                                                                                           i l
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Hot Leg and Steam Generator Nodalization                                                                                                                                                                                                         psH(He                     .,
Hot Leg and Steam Generator Nodalization psH(He for Modeling Hot Leg Countercurrent Flow 408 N 3s 4
1 for Modeling Hot Leg Countercurrent Flow                                                                                                                                                                                                       4 408 N 3       3s
1 3
                                                                                                                                                                                                                                                    /                                     N            .
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                                                                                                                                                                                                                                                                                                    .....g j     2     3 7                     2   I 7 ?                     !
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                                                                                                                                                                                                                                        'f405 z                   z                                         s, z
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  -                        172                                                                                      1 7&p/m7Aw/ww/>                                                                                                           um/wm
1 8 8 1
                  '-                                                                                                                                                                                  430         .                j 4                             i                         3                             j     2   i
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HOT LEG MODEL BENCHMARKING FOR NATURAL CIRCULATION FLOW MODELING
i HOT LEG MODEL BENCHMARKING FOR NATURAL CIRCULATION FLOW MODELING EPRI SPONSORED COMIX CALCULATIONS OF THE LOW PRESSURE TESTS, WITH GOOD l
;    EPRI SPONSORED COMIX CALCULATIONS OF THE LOW PRESSURE TESTS, WITH GOOD l   AGREEMENT BETWEEN THE CALCULATED AND MEASURED RESPONSES.
AGREEMENT BETWEEN THE CALCULATED AND MEASURED RESPONSES.
q USING THE SAME MODELING APPROACH, TWO LOOPS OF THE SURRY PLANT WERE MODELED WITH COMIX.
t q
USING THE SAME MODELING APPROACH, TWO LOOPS OF THE SURRY PLANT WERE MODELED WITH COMIX.
j I
AN IDEALIZED BUT REPRESENTATIVE HEATUP TRANSIENT WAS RUN.
AN IDEALIZED BUT REPRESENTATIVE HEATUP TRANSIENT WAS RUN.
i    THE RELAP5 SURRY MODEL WAS MODIFIED TO MATCH THE CONNIX BOUNDARY CONDITIONS.
THE RELAP5 SURRY MODEL WAS MODIFIED TO MATCH THE CONNIX BOUNDARY i
i i
CONDITIONS.
THE RELAPS MODEL WAS ADJUSTED TO MATCH THE HEAT TRANSFER IN THE HOT LEGS                                               f AND STEAM GENERATORS FOR A GIVEN HOT VAPOR TEMPERATURE ENTERING THE HOT                                               '
THE RELAPS MODEL WAS ADJUSTED TO MATCH THE HEAT TRANSFER IN THE HOT LEGS i
LEG.
i f
      -  ALTERED THE SG INLET PLENUM VOLUME / FLOW AREA SPLIT, LOSS COEFFICIENTS                                         ,
AND STEAM GENERATORS FOR A GIVEN HOT VAPOR TEMPERATURE ENTERING THE HOT LEG.
THROUGH THE FLOW PATH DID NOT TRY TO MATCH FLOW RATES OR MIXING FRACTIONS WHEN REASONABLE AGREEMENT WAS REACHED, THE HOT LEG / STEAM GENERATOR INPUT MODEL WAS " FROZEN" AND USED IN SCDAP/RELAP5 SEVERE ACCIDENT CALCULATIONS.
ALTERED THE SG INLET PLENUM VOLUME / FLOW AREA SPLIT, LOSS COEFFICIENTS THROUGH THE FLOW PATH l
DID NOT TRY TO MATCH FLOW RATES OR MIXING FRACTIONS I
WHEN REASONABLE AGREEMENT WAS REACHED, THE HOT LEG / STEAM GENERATOR INPUT MODEL WAS " FROZEN" AND USED IN SCDAP/RELAP5 SEVERE ACCIDENT CALCULATIONS.
i


ASSESSMENT CALCULATIONS WERE PERFORMED USING TWO
ASSESSMENT CALCULATIONS WERE PERFORMED USING TWO
                                                                                                                                                                                                                                                                                        ~
~
OF THE WESTINGHOUSE HIGH PRESSURE SF6 TESTS.                                                                                                                                                                                                                             '
OF THE WESTINGHOUSE HIGH PRESSURE SF TESTS.
i STEADY STATE TESTS WERE SELECTED BECAUSE THEY HAD THE BEST ENERGY BALANCE.
6 i
THE SAME MODELING APPROACH USED IN THE PLANT CALCULATIONS WAS USED TO MODEL THE FACILITY.                                                                                                                                                                                                                                                     -
STEADY STATE TESTS WERE SELECTED BECAUSE THEY HAD THE BEST ENERGY f
LOSS COEFFICIENTS FOR HOT LEG NATURAL CIRCULATION WERE ADJUSTED BASED ON                                                                                                                                                                                               '
BALANCE.
THE RESULTS FROM ONE TEST, THEN WERE LEFT UNCHANGED TO MODEL THE SECOND TEST.
THE SAME MODELING APPROACH USED IN THE PLANT CALCULATIONS WAS USED TO MODEL THE FACILITY.
LOSS COEFFICIENTS FOR HOT LEG NATURAL CIRCULATION WERE ADJUSTED BASED ON THE RESULTS FROM ONE TEST, THEN WERE LEFT UNCHANGED TO MODEL THE SECOND TEST.
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i
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                                                        .                                                                                                                                                                                                                                i t
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REACTOR VESSEL VAPOR TEMPERATURES                                                                                     FOR TEST                                 S-7.
REACTOR VESSEL VAPOR TEMPERATURES FOR TEST S-7.
MEASURED                                                                                                 CALCULATED Top of                                                                                                                                                                             eg.3 upper plertm %                                                                             S i .6                                                       ,
MEASURED CALCULATED Top of upper plertm %
1 137.5          135.2                  125.3                                   >        136.6               133.0             128.0 129 8 s                                                                              143.5
S i.6 eg.3 1
                                                                                                            .......      ........              . . . . . . . . ~ .
136.6 133.0 128.0 137.5 135.2 125.3 143.5 129 8 s
                                                                                                                                                                            - 93_9               ........            ........      ._ ..........
_ y5y
_ y5y e                                                              >                      o-108.4 -
........ ~.
a                                                                116.4 --
- 93_9 e
122.6                                           141.3             136.2               123.0 134.7          124.0
o-a 116.4 --
: 114.5                         142.4               135.3             123.3 i 128 3 . 128.3
108.4 -
                                                                                                          ........        .......            .............;...............                      ........            ........      ...........      4...........--- HoiIeg
134.7 124.0 122.6 141.3 136.2 123.0
: 63.8 134.6             117.5 i 64.5 . 66.2
: 114.5 142.4 135.3 123.3 i 128 3. 128.3 HoiIeg 4...........---
                                                                                                                                                ............                                    -[ -----.-
: 63.8
143.1 -------.-
[ 143.1 134.6 117.5 i 64.5. 66.2 143.3: 113.7 ;
                                                                                                                                          .                                                        143.3: 113.7 ;                         112.7 i48.8 : 115.0 :                         97.4                                                         .              .
112.7 i48.8 : 115.0 :
17o.4 i 122.7 i ii5.s Top of             i63.7 i i25.7 ! 101.2
97.4 17o.4 i 122.7 i ii5.s Top of i63.7 i i25.7 ! 101.2
                                                                                                                                                                                                --------r------,--------
--------r------,--------
Core                       :                      :                                                        167.2 : 127.4 : 118.3 4,....... 4,.........
Core 167.2 : 127.4 : 118.3 4,....... 4,.........
164.3 : 132.5 : 121.0
164.3 : 132.5 : 121.0 152.9 *: 133.8 ** 103.9
                                                                                                                                                                                                --------+-------+-------
- - - - - - - - + - - - - - - - + - - - - - - -
152.9 *: 133.8 ** 103.9
164.3 : 139.3. 124.0
:.                                                      164.3 : 139.3 . 124.0
'-------+--------4-"-----
                                                                                                                                                                                              '-------+--------4-"-----
.................. 1.........
                                                                                                        .................. 1.........                                                               164.7 j 153.5 j 127.6 141.3 5 134.7 5 110 3
164.7 j 153.5 j 127.6 141.3 5 134.7 5 110 3
                                                                                                                    .                                                                        .........s.u..................      .
.........s.u..................
                                                                                                        ........su........ .........
162.1.: 166.7 129.5
162.1 .: 166.7                     129.5
........su........
                                                                                                        ......... ......... .........                                                                      . j 151.0 j 133.3 t
. j 151.0 j 133.3 121.5 !, 123.7 i, 111.i t
121.5 !, 123.7 i, 111.i                             ,
'4" ' i '*66i '33 6 Bottom
                                                                                                                                                                                                    '4" ' i '*66i '33 6 Bottom                       :
............. 1. 3_.3. Q.........
                                                                                                          - - " - " - - " " " ~ " - - - - "
- - " - " - - " " " ~ " - - - - "
                                                                                                                                                                                              . . .. . . . . . . . . . 1. 3_ .3. Q . . . . . . . . .
Of Cor e 95.6 t
Of Cor e         ......______._____.                                                                                            127.9 95.6                                                                               t
127.9 Vessel CL
;                                                                                          Vessel CL


REACTOR VESSEL VAPOR TEMPERATURES FOR TEST S-6.                         ,
REACTOR VESSEL VAPOR TEMPERATURES FOR TEST S-6.
MEASURED                                                             .                  CALCULATED Top or-                                                                                                                       x7 t.pper plenurn %                             90 4                                                  .
MEASURED CALCULATED Top or-x7 90 4 t.pper plenurn %
I4E.7               1435               136.9 173.7         165.0           151.0                         158.8 #
I4E.7 1435 136.9 173.7 165.0 151.0 158.8 la,.a -
la,.a -
63.4 c
                                                                                                                          ----- -          ------- ----              63.4 115.I               ------ .   -                        c        --
115.I e.
                                -o                    e.                                123.7 - -~
123.7 - -~
                  --                                                                                    155.6               148.2             13G.9 3'0c 145.0 167.4         148.8
155.6 148.2 13G.9
                                                                        ~                                157.2               147.I             137.2     137.2 . 137 2 134.3                         --.----            --.-.--
-o 3'0c -
H9( lg9
167.4 148.8 145.0 157.2 147.I 137.2 137.2. 137 2
                                        ........      ........... 4..............                                                                       66 8    67.7 158.3             146.5               126.0 i 70.3                       -.........
~
                                                                                                        ~592 : 120.4 :                         119.0 187.2 : 137.0 :               113.6                                                     .
134.3 H9( lg9 4..............
                                    .                                                            ........        4........:........
158.3 146.5 126.0 66 8 67.7 i 70.3
                          ....... 4........:.........
~592 : 120.4 :
Tcp of n
119.0 187.2 : 137.0 :
207.3 i 152.9 ! 119.3 194.3i 1322i 122.8              <
113.6 4........:........
                          ....... 4........        .........
4........:.........
yg                                         ;                                                    190.0 : 128.5 : 126.3
194.3i 1322i 122.8 n
:                                                              .........          ........        4........
Tcp of 207.3 i 152.9 ! 119.3 4........
                          .........:.........z.........
yg 190.0 : 128.5 : 126.3 4........
204.7 j 165.1 i 123.8                                                      186.6 ........ i 145.3 ! 129.8
.........:.........z.........
                                                                                                    ........                          4.........
186.6 i 145.3 ! 129.8 204.7 j 165.1 i 123.8 4.........
:                                                    186.7 i 154.6 i 133.9
186.7 i 154.6 i 133.9
                                                                                                    ..........,s........p........
..........,s........p........
                          --..-..-a--- -...---....----
--..-..-a---
                                                                                                        ;872: 175.9 :* 138.6 178.5 j 167.3 j 132.1                                                   ..........j..................
;872: 175.9 : 138.6 178.5 j 167.3 j 132.1
182.9 : 18G2 : 14 1.0 i                                               ..........'.........:.........
..........j..................
17 2.5 :           169.4 i. ;43.5 150.3 5 153 6 i iR7 Bottorn                           :          :                                                    161.4 ! 163.3 ! 146.4           '
182.9 : 18G2 : 14 1.0 i
                                                                                                    ....g.......
169.4 i.
Of Core             . . . . . . . . . . . . . . . . .                                          ~ ~ ' * * * * - ~ ~ ~ - *146
17 2.5 :
                                                                                                                                - ' ' ~4
150.3 5 153 6 i iR7
                                                                                                                                      ~~-'''-~~~
;43.5 Bottorn 161.4 ! 163.3 ! 146.4
114.5                                                                             139.1 Vessel G    m
....g.......
Of Core 146 4
~ ~ ' * * * * - ~ ~ ~ - * - ' ' ~ ~ ~ - ' ' ' - ~ ~ ~
114.5 139.1 Vessel Gm


Y Appendix D                                                                                                                                                                                     .
Y Appendix D Test 57: vessel center channel i
Test 57: vessel center channel i                                                 .
180.0- ::
i     et i==i 180.0-    ::                                                  ,
i et i==i I
I      ear. m l j                  o    eoo                C    f:j h                                                     j
ear. m l f:j h
: l.                                                  .
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o                     -
j o eoo l.
                                                                                                  ..                        ~
o
540.0     !                      I                            i7 co
~
* i 5                 E l                         1-                      !                                            '
I i7 co 540.0 i
{*                '!            A                                       i                                                   :
1-5 E
l E                                                                                                                           :
l
                        - 100.0           as:
{
:l
A i
                                          ,j                                                     ;
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Tse e som                        jf
as:
                                              - sumsmerese                                                         Ts, w wow aman i
- 100.0
                                                                                                                                                        .T 60.0 -                                       0.2             0.0                 0.2                 0.4           0.6 i
: l jf Tse e som
'                                    -0.6                -0.4 Distance from top of core (m)
,j
- sumsmerese Ts, w wow aman
. T i
60.0 -
-0.6
-0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 i
Distance from top of core (m)
Test S7: vessel middle channel
Test S7: vessel middle channel
(                                                                                 .                  ,
(
aT.m                          ;            -
180.0 -:
180.0 -:                                                          :
I aT.m
:          I
* e ^"
* e ^" !                  :
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:                C                                   :
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[
1 e 1M0 "l f
1 8
8 g
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g oa n e
l 5                 g                                             g![:                               m e                     ,        x                                                                                             i E.                     !                                  ..                iI                                               :
l 5
g                     :                                                                                                                    -
g g![:
                          >- 100.0 asl                                                         - -!.
m e
:                                                 !.T i                                                     '.          to w -
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to w useer penwn - !T
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                                                                                                                                                            !i
g
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>- 100.0 asl
h"" # ""'                                   !
!.T
t                .                 ,
:!i i
0.2             0.0 ~               0.2                 0.4             0.6
to w -
                                          -0.6               -0.4 Distance from top of core (m)
["~ h"" # ""'
Test 57: vessel outer channel i                                                  !
to w useer penwn - !T t
180.0 -i                                                                 :      I       4Tamam.I a'ma                           :
-0.6
o                       :
-0.4 0.2 0.0 ~
7 140.0                 :
0.2 0.4 0.6 Distance from top of core (m)
l l                             3                   j ^ "A a r     "                                          !.                44 Z              T              l*            ,
Test 57: vessel outer channel 180.0 -i i
8                                                                                                                  L
I 4Tamam.I a'ma o
                                                ':                                A .e. A                               a                                     :
7 140.0 T
e                                                                             j    %,,                                          :
l*
:        o           a
l 3
                              @                              ~                          "
j ^ "A a r l
* 100.0 mI                                    -
44Z A.e. A j
n!        a                                             i._ -
8 a
L e
o a
n!
i._ -
* 100.0 I
~
a m
il,<
i i
i i
                                                                                                              ._t=====                                         il,<
._t=====
                                                        - s.-                                                 :        t                 -n-a -.,4 60.0                                                                                 0.2                0.4               0.6 0.s                  -0.4                -0.2                 0.0 Distance from tcp cf core (m)
- s.-
Figure D-11. Companson of experimental and                                                                                   6 calculated SF vapor tempenture plenum for Test S-7.
t
-n-a -.,4 60.0 0.s
-0.4
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Distance from tcp cf core (m)
Companson of experimental and calculated SF vapor tempenture 6
Figure D-11.
plenum for Test S-7.
D-24
D-24
      .NUREG/CR-6235
.NUREG/CR-6235 h


9 Appendix D Test SS: vessel center enannel 4
9 Appendix D Test SS: vessel center enannel 4
                                        !                          -                        I     e rma at 250 0                                              ,
250 0 I
I      ear.ns i 1
e rma at I
                                        .                                      I:
ear.ns i I:
                                        !                            '        ?!                                           ..
?!
6, 200.0     ,                                I g .8-           -                                  .
6, 200.0 I g.8-T T
T         T         f
f o
                        !                           o                                                                                                                       '
3
3 s 150.0 ,-:
!O
                                        !O          Z
!O co l
                                                                                  !O co                  -
o s 150.0,-:
o l
Z
                        =>           o.                                         .                                          :
=>
5           k!
o.
100.0 bi                                           f                                           f:.
5 k!
                                      /-- - -                                     l                   :=.                 -.!
100.0 bi f
                                                                                                                              'S 50.0
f:.
                                  -0.5               0.4         0.2           0.0                 0.2         0.4           0.5 Cistance tram tcp ct core (m) l Test SS: vessel midd!e channel l           I                  l                       -
/-- - -
250.0   -l
l
:          1
:=.
* a*r.u,,,
'S 50.0
e    *"s,*j 6 200.0           i g
-0.5 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.5 Cistance tram tcp ct core (m)
* 2                                                     -
Test SS: vessel midd!e channel l
C       1 e                                                     $
l 250.0
3                        m                                                                              ,
-l l
B 150.0
I
* I      "
* * *"s,*j 1
ea z            7          i "18 n: *
e a r.u,,,,,
                          &              o!                                                                                      !
6 200.0 i
                        ?             h                                         I*
g 2
100.0   -                                                                                          :T
C 3
                                                                                                                                  .e i            Topof esse                   l1
m 1 e I
                                            ---- namen m ane                                       y,,, ,,, ,
7 i
8
"18 ea z B 150.0 n:
                                ~0.0 0.4         0.2           0.0               0.2           0.4           0.6 0.5 Cistance from top of core (m)
* o
Test $6: vessel outer channel 250.0     -l                                             l       l i
?
                                                                                                        **"I 6"M i 6 200.0             !,                                        !                                        !.
h I*
e                                                              l                                       :*
:T 100.0
3                                                                                           --
.e Topof esse l1 i
g                                                                                                                     -
---- namen m ane y,,,,,,,
B 150.0                                        -      --                        x          ,"r           !*
~0.0 8
5              ,!
0.5 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Cistance from top of core (m)
i*T.L4      A a "3
Test $6: vessel outer channel 250.0
                                                                            !!A a A
-l l
Aa
l
                            >                w.                  -
**"I i
                                                                          .,,,              l. :t                                     e 100.0             :                                        l.
6"M i 6 200.0 e
                                                                                            .                                          . "1'*
l 3
:                                        : - To er                                 :a
g x
:        7 , ,,,,,,,,, a F *
,"r i*T B 150.0 A
* one                                !                                          !
Aa a
i 50.0                                                   0.0           0.2           0.4              0.5
a 4
                                      -0.6              -0.4         -0.2 Cis:ance from top of core (m)
"3 5
Figure D-12. Companson of expenmental and esiculated                                                       6          SF vapor temperatures in the core and upper pienum for Test 5-6.
.L
D-25                                                              NUREG/CR 6235
!!A A
a l. :t w
e 100.0 l.
"1'*
: - To er
:a F *
* one 7,,,,,,,,,, a
! i 50.0-0.6
-0.4
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.5 Cis:ance from top of core (m)
Figure D-12. Companson of expenmental and esiculated SF vapor temperatures in the core and upper 6
pienum for Test 5-6.
NUREG/CR 6235 D-25


I CIRCULATION          FLOW       PARAMETERS FOR HOT LEG NATURAL TEST S-7.
I FLOW PARAMETERS FOR HOT LEG NATURAL CIRCULATION TEST S-7.
Prediction           Percent error Experiment Left         Right   Left         Right llot leg         Left        Right Flow parameters                                                   15.9          11.7 114.9 128.3         128.3 110.7                                                   7.0 Tri. oui ( C)                           66.2         64.5   8.9 60.8        60.3 Tc,;n( C)                               62.1         63.8   24.4         16.8 49.9        -54.6 T ii.out. Tc,in ( C) 104.3         104.3   - 5.5         - 4.0 3        110.4        108.6 pi,(kg/rn )                             136.2         137.5   - 3.3         - 2.5 140.8        141.0 pc (kg/m3)                             31.9           33.2   4.9           2.5 3   30.4        32.4 pc _ pai (kg/m )
Prediction Percent error Experiment Left Right Left Right Left Right llot leg Flow parameters 110.7 114.9 128.3 128.3 15.9 11.7 Tri. oui ( C) 60.8 60.3 66.2 64.5 8.9 7.0 Tc,;n( C)
3.I6           3.33   7.1           2.I 2.95          3.26 q58 (kW)                                               0.0647 - 11.1       - 10.1 0.072 0.0631-0.071 m,,i (kg/s),
T.out. Tc,in ( C) 49.9
t
-54.6 62.1 63.8 24.4 16.8 3
_m._  _ ____.______.___ - . _ _ __.
110.4 108.6 104.3 104.3
- 5.5
- 4.0 ii pi,(kg/rn )
3 140.8 141.0 136.2 137.5
- 3.3
- 2.5 pc (kg/m )
pc _ pai (kg/m )
30.4 32.4 31.9 33.2 4.9 2.5 3
2.95 3.26 3.I6 3.33 7.1 2.I q58 (kW) 0.071 0.072 0.0631-0.0647
- 11.1
- 10.1 m,,i (kg/s),
t m.


FLOW PARAMETERS                                        FOR                                        -
HOT LEG NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-6.
HOT LEG NATURAL CIRCULATION TEST   S-6.                                                                                                                                           t Predictiorr                       Percent error Experiment Right   Left                         Right Left         Right   Left llot leg Flow parameters                                              137.2    5.8                          1.7 134.9   137.2 129.7                                                                           5.4                                           ,
t Predictiorr Percent error Experiment llot leg Left Right Left Right Left Right T. oui ( C) 129.7 134.9 137.2 137.2 5.8 1.7 Flow parameters 65.5 63.4 67.7 66.8 3.4 5.4 h
T h. oui ( C)                        67.7               66.8     3.4 65.5         63.4
Tc,ic( C)
                                                                                                        -1.5 Tc,ic( C) 69.5               70.4     8.3 64.2        71.5 Th,out - Ic.in
T,out - Ic.in 64.2 71.5 69.5 70.4 8.3
( C)                                                    75.5     -2.1                           -0.4 75.8    75.5 ph(kg/m3)       77.I                                              - 1.3                        - 1.6 99.6   97.6               98.0 Pc (kg/m ) 3    98.9                                              1.4                          -5.5 23.8    22.1               22.5 3
-1.5 h
pc - ph (kg/m ) 21.8                                                                                                                         ,
3 77.I 75.8 75.5 75.5
2.55      2.5                           -4.5 2.67     2.49 qsg (kW)        2.43                                            -4.5                           -2.2 0.0461 0.0446             0.0451 0.0467                                                                                                                      -
-2.1
rii g (kg/s),                                                                                                                                 .
-0.4
t
( C) ph(kg/m )
Pc (kg/m )
98.9 99.6 97.6 98.0
- 1.3
- 1.6 3
pc - ph (kg/m )
21.8 23.8 22.1 22.5 1.4
-5.5 3
2.43 2.67 2.49 2.55 2.5
-4.5 qsg (kW) 0.0467 0.0461 0.0446 0.0451
-4.5
-2.2 rii (kg/s),
g t


STEAM GENERATOR. NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-7.
STEAM GENERATOR. NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-7.
Prediction           Percent error Experiment Left         Right   Left         Right Left                Riglit Steain generator Flow parameters 3.16           3.33   7.I           2.I 2.95                3.26 (15g (kW)                                                                   728 72                   NA     72" Ntimber of hot tubes                                                         g44a  _
Prediction Percent error Experiment Left Riglit Left Right Left Right Steain generator Flow parameters 2.95 3.26 3.16 3.33 7.I 2.I (15g (kW)
144                 NA       144a                                           i Number of cold tubes                                        0.131         0.132 -10.9         -
Ntimber of hot tubes 72 NA 72" 728 Number of cold tubes 144 NA 144a g44a i
0.147              NA iii, (kg/s)                                           0.072   0.0631         0.0647 -11.1         -10.I 0.071 iii i ,i (kg/s)                                       NA      2.08b          2.05b   1.0         -
0.147 NA 0.131 0.132
2.06 in,/rin i,,                                                   0.89b         0.89b   0.0           -
-10.9 iii, (kg/s) 0.071 0.072 0.0631 0.0647
0.89                NA ffi2                                                  NA      72.9         71.4     4.9           -
-11.1
69.5 T ia ( C)                                                     44.8           42.3   -2.4         -
-10.I iii,i (kg/s) b 2.05b 1.0 2.06 NA 2.08 i
45.9                NA Tci (*C)                                                     28.1           29.1     19.1         -
in,/rin,,
23.6                NA Ti a - Tct ( C)                                     NA     72.2           70.9   7.6           -
0.89 NA 0.89b 0.89b 0.0 i
67.I Tm ( C)
ffi2 69.5 NA 72.9 71.4 4.9 T a ( C) 45.9 NA 44.8 42.3
: a. Not predicted by code; input to code.
-2.4 i
: b. Not predicted by code; stearn generator inlet plenurn loss coefficients and junction areas a ing fractions and flow ratio.
Tci (*C) 23.6 NA 28.1 29.1 19.1 T a - Tct ( C) 67.I NA 72.2 70.9 7.6 i
N A = Data was not obtained in the experirnents.     _
Tm ( C)
Not predicted by code; input to code.
a.
Not predicted by code; stearn generator inlet plenurn loss coefficients and junction areas a b.
ing fractions and flow ratio.
N A = Data was not obtained in the experirnents.
s
s


STEAM GENERATOR NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-6.
STEAM GENERATOR NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-6.
Experiment                   Prediction                                                   Percent error Steam generator                                                                       Left                 Right         Left                               Right                         Left                                             Right Flow parameters 2.43                 2.67         2.49                               2.55                           2.5                                             -4.5 qsg (kW) 64                   NA           72a                                 728                           -                                                -
Experiment Prediction Percent error Steam generator Left Right Left Right Left Right Flow parameters qsg (kW) 2.43 2.67 2.49 2.55 2.5
Number of hot tubes Number of cold tubes                                                               152                   NA           144"                               144a                           _                                                _
-4.5 Number of hot tubes 64 NA 72a 728 Number of cold tubes 152 NA 144" 144a iii, (kg/s) 0.0919 NA 0.0907 0.0891
0.0919               NA           0.0907                             0.0891                         - 1.3                                           -
- 1.3 siig (kg/s) 0.0467 0.0461 0.0445 0.0451
iii, (kg/s) 0.0467               0.0461       0.0445                             0.0451                         -1.7                                             -2.2 siig (kg/s) vii,/m hi                                                                              W                   M           2.@                                 1.9@                           3.6                                             -
-1.7
0.85                 NA           0.89b                               0.89b                           4.7                                             -
-2.2 vii,/m W
ff2     i 77.5                 NA           76.4                               75.9                           - 1.4                                           -
M 2.@
Thi ( C) 44.5                 NA           42.8                               40.9                           -3.8                                           -
1.9@
Tci ( C) 33.0                 NA           33.6                               35.0                             1.8                                             -
3.6 hi 0.85 NA 0.89b 0.89b 4.7 ff2 i
Thi - Tci ( C) 73.2                 NA           74.5                               74.0                             1.8                                           -
Thi ( C) 77.5 NA 76.4 75.9
T n ( C)    i
- 1.4 Tci ( C) 44.5 NA 42.8 40.9
: a.              Not predicted by code; input to code.
-3.8 Thi - Tci ( C) 33.0 NA 33.6 35.0 1.8 T n ( C) 73.2 NA 74.5 74.0 1.8 i
: b.               Not predicted by code; steam generator inlet plenum loss coefficients and junction areas adjusted to obtain mix-ing fiactions and How ratio.
Not predicted by code; input to code.
a.
Not predicted by code; steam generator inlet plenum loss coefficients and junction areas adjusted to obtain mix-b.
ing fiactions and How ratio.
N A = Data was not obtained in the experiments.
N A = Data was not obtained in the experiments.
_______-_._.____._._________________________-.-.________m                                            _ _ _ _ _ _ _ _ _ ._._            _ _ _ _ _ . _ _ _ .            . _ _ _                                    _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ __  _ _ _ _                            .
m


I                                                                                                       !
I THE RELAP5 CALCULATIONS WERE IN REASONABLE l
THE RELAP5 CALCULATIONS WERE IN REASONABLE                                         l AGREEMENT WITH THE MEASURED RESPONSE.
AGREEMENT WITH THE MEASURED RESPONSE.
1 FLOW PATTERNS WERE THE SAME AS IN THE EXPERIMENT.
1 FLOW PATTERNS WERE THE SAME AS IN THE EXPERIMENT.
l l                   TEMPERATURE PROFILES WERE THE SAME AS IN THE EXPERIMENT.
l l
l                   CALCULATED HOT LEG AND STEAM GENERATOR MASS FLOW RATES WERE WITHIN 11%
TEMPERATURE PROFILES WERE THE SAME AS IN THE EXPERIMENT.
j OF THE MEASURED VALUES.                                                             1 VAPOR TEMPERATURES IN THE STEAM GENERATOR TUBES WERE WITHIN 5% OF THE MEASURED VALUES.
l CALCULATED HOT LEG AND STEAM GENERATOR MASS FLOW RATES WERE WITHIN 11%
I i
l OF THE MEASURED VALUES.
VAPOR TEMPERATURES ENTERING THE HOT LEGS WERE OVERPREDICTED BY UP TO 16%.
j 1
l HEATING OF THE VAPOR IN DOWNFLOW IN THE CORE WAS OVERPREDICTED.
VAPOR TEMPERATURES IN THE STEAM GENERATOR TUBES WERE WITHIN 5% OF THE MEASURED VALUES.
1 HEATING OF THE VAPOR IN UPFLOW IN THE CORE WAS UNDERPREDICTED.
I VAPOR TEMPERATURES ENTERING THE HOT LEGS WERE OVERPREDICTED BY UP TO i
16%.
HEATING OF THE VAPOR IN DOWNFLOW IN THE CORE WAS OVERPREDICTED.
l 1
HEATING OF THE VAPOR IN UPFLOW IN THE CORE WAS UNDERPREDICTED.
t t
t t


j SURRY STATION BLACKOUT           (TMLB' SEQUENCE)
j SURRY STATION BLACKOUT (TMLB' SEQUENCE) l CALCULATIONS f
CALCULATIONS f
INITIAL CALCULATIONS WERE PERFORMED TO INVESTIGATE IF EX-VESSEL FAILURES
INITIAL CALCULATIONS WERE PERFORMED TO INVESTIGATE IF EX-VESSEL FAILURES                                                                                                                                                                                 ~
~
MIGHT OCCUR, WHERE THEY WOULD OCCUR, AND WHEN THEY WOULD OCCUR IN RELATION TO THE CORE DAMAGE PROGRESSION s
MIGHT OCCUR, WHERE THEY WOULD OCCUR, AND WHEN THEY WOULD OCCUR IN f
RELATION TO THE CORE DAMAGE PROGRESSION I
I s
t i
t i
s.
i s.
l


SCOPING CALCULATIONS PROGRESSIVE ADDITION OF NATURAL CIRCULATION FLOWS                             .
SCOPING CALCULATIONS PROGRESSIVE ADDITION OF NATURAL CIRCULATION FLOWS RESULTS AS EXPECTED:
RESULTS AS EXPECTED: MORE NATURAL CIRCULATION LED TO SLOWER CORE HEATUP       t SURGE LINE FAILURE PREDICTED IN BOTH NATURAL CIRCULATION CASES I
MORE NATURAL CIRCULATION LED TO SLOWER CORE HEATUP j
t SURGE LINE FAILURE PREDICTED IN BOTH NATURAL CIRCULATION CASES I
f l
f l
l l
l l
                                                                              'I l
'I l


                                                                                                                                                                                                                                          *! i SENSITIVITY CALCULATIONS                                                                                                                                       ,
l i
KNEW THERE WERE UNCERTAINTIES BECAUSE OF THE LIMITED DATA, CODE /MODEL RESTRAINTS, INABILITY TO BENCHMARK / ASSESS THE CODE AGAINST DATA.
SENSITIVITY CALCULATIONS i
CODE /MODEL f
KNEW THERE WERE UNCERTAINTIES BECAUSE OF THE LIMITED DATA, l
RESTRAINTS, INABILITY TO BENCHMARK / ASSESS THE CODE AGAINST DATA.
[
CASES CONSIDERED:
CASES CONSIDERED:
                          - AXIAL POWER PROFILE                                                                                                                                                                                           :
- AXIAL POWER PROFILE CORE AND UPPER PLENUM CROSSFLOW RESISTANCE STEAM GENERATOR INLET PLENUM MIXING 1
CORE AND UPPER PLENUM CROSSFLOW RESISTANCE STEAM GENERATOR INLET PLENUM MIXING                                                                                                                                                                       1 HOT LEG / SURGE LINE PIPING HEAT LOSS i
HOT LEG / SURGE LINE PIPING HEAT LOSS i
                            -    HEAT TRANSFER COEFFICIENTS IN THE UPPER PLENUM, HOT LEG, AND STEAM                                                                                                                                       i GENERATOR TUBES                                                                                                                                                                                         !
HEAT TRANSFER COEFFICIENTS IN THE UPPER PLENUM, HOT LEG, AND STEAM i
I l
GENERATOR TUBES I
SIMULATED RADIATION HEAT TRANSFER BETWEEN THE HOT LEG FLOW STREAMS I
l SIMULATED RADIATION HEAT TRANSFER BETWEEN THE HOT LEG FLOW STREAMS I
1
1


i used       best-estimate                               values Base case for   the   sensitivity             parameters.                                        .
i Base case used best-estimate values l
i e Surce ,ine f ai,ure     a~:   246 min fuel rod   relocation       at 248               min e initial                                                                              .
for the sensitivity parameters.
of core   heat   removed       by             coo ant
i Surce
    . 75%
,ine f ai,ure a~: 246 min e
4% to hot legs                                                                   ,
e initial fuel rod relocation at 248 min e
19% to steam generators LCOOO3??
75% of core heat removed by coo ant 4% to hot legs 19% to steam generators LCOOO3??
                                                                                          -I
i
-I


A Steam generator tubes were much cooler than the surge line and hot legs.
A Steam generator tubes were much cooler than the surge line and hot legs.
    @ 1500                                                                                                                               O 1101 leg creep
1500 creep O
    <D                                                                                                                                                                                 rupture O     Surge line                               ' " I'""
1101 leg rupture
5                                                                                                                                      a steam generator tubes                                   -
<D 5
m                        1250                                                   -
O Surge line
ba E
' " I'""
      *                                                                                                                                                                                                ~
a steam generator tubes m
i                           1000                                                   -
1250 ba E*
E                                                                                                                                                                                           M
~
      ,                                    750                                          -
i 1000 M
w          r-A         -
E r-A 750 w
m                                                                                     .
m s
s                                                                                                                                                                                i           i d                                                                                                                                           8            8 500 180         200                   220           240   260 160 Time After Initiation (min)           .
8 8
rcooo4e
i i
d 500 160 180 200 220 240 260 Time After Initiation (min)
I rcooo4e I


Piping heat loss effects were primarily local.
Piping heat loss effects were primarily local.
Convection anc 1
Convection anc 1
Convection                                                                               rac.iation 7 min                                                                                       13 min Surge ine aiLure de,ay                                                                                                                               4 min 2 min Fue rocL re ocation delay 75 %                                                                                       76 %
Convection rac.iation 7 min 13 min Surge ine aiLure de,ay Fue rocL re ocation delay 2 min 4 min 75 %
Core heat removal 5%                                                                                   5%
76 %
To hot ecs 18 %                                                                                       17 %
Core heat removal 5%
To steam generators 3%                                                                                 4%
5%
To containment 10000380 1
To hot ecs To steam generators 18 %
17 %
To containment 3%
4%
10000380 1


i                                                                                                                                                                                                                                                         ,,
i 1
SIGNIFICANT REDUCTIONS IN THE STEAM GENERATOR INLET PLENUM MIXING HAD A SMALL IMPACT ON THE                                                                                                                                                                                                           :
SIGNIFICANT REDUCTIONS IN THE STEAM GENERATOR l
CALCULATED RESULTS.
1 INLET PLENUM MIXING HAD A SMALL IMPACT ON THE CALCULATED RESULTS.
MIXING FRACTION OF 0.7 IN THE PRESSURIZER LOOP, 0.3 IN THE OTHER TWO LOOPS SURGE LINE FAILURE AT 255 MIN l
MIXING FRACTION OF 0.7 IN THE PRESSURIZER LOOP, 0.3 IN THE OTHER TWO LOOPS I
INITIAL FUEL ROD RELOCATION AT 254 MIN i
SURGE LINE FAILURE AT 255 MIN l
HOT LEG FLOW INCREASED 25% COMPARED TO BASE CASE 77% OF CORE HEAT REMOVED BY COOLANT                                                                                                                                                                                                                     ,
l INITIAL FUEL ROD RELOCATION AT 254 MIN i
i l
HOT LEG FLOW INCREASED 25% COMPARED TO BASE CASE 77% OF CORE HEAT REMOVED BY COOLANT i
3% TO HOT LEGS 24% TO STEAM GENERATORS                                                                                                                                                                                                                           ,
3% TO HOT LEGS l
i t
24% TO STEAM GENERATORS i
t
[
[
t r
t r


i CONCLUSIONS FROM THE SENSITIVITY CALCULATIONS IN ALL OF THE CASES, EX-VESSEL PIPING FAILURES WERE PREDICTED TO OCCUR ABOUT THE TIME OF INITIAL FUEL ROD RELOCATION WITHIN THE CORE.                                                                                                                                                                                           ,
i CONCLUSIONS FROM THE SENSITIVITY CALCULATIONS e
THE ONLY CALCULATIONS THAT HAD A NOTICEABLE DIFFERENCE FROM THE BASE                                                                                                                                                                                     i CALCULATION WERE THE INLET PLENUM MIXING SENSITIVITIES.
l IN ALL OF THE CASES, EX-VESSEL PIPING FAILURES WERE PREDICTED TO OCCUR ABOUT THE TIME OF INITIAL FUEL ROD RELOCATION WITHIN THE CORE.
SIGNIFICANTLY REDUCING THE MIXING FRACTION (TO 0.7 IN THE PRESSURIZER LOOP AND 0.3 IN THE OTHER TWO LOOPS, FROM 0.87 IN THE BASE CASE) BROUGHT                                                                                                                                                                                 ,
THE ONLY CALCULATIONS THAT HAD A NOTICEABLE DIFFERENCE FROM THE BASE i
THE STEAM GENERATOR TUBE TEMPERATURES HIGHER, BUT THE SURGE LINE STILL                                                                                                                                                                                   .
CALCULATION WERE THE INLET PLENUM MIXING SENSITIVITIES.
FAILED FIRST, WHEN THE MAXIMUM SG TUBE TEMPERATURE WAS ABOUT 360 K LOWER                                                                                                                                                                                 ,
SIGNIFICANTLY REDUCING THE MIXING FRACTION (TO 0.7 IN THE PRESSURIZER LOOP AND 0.3 IN THE OTHER TWO LOOPS, FROM 0.87 IN THE BASE CASE) BROUGHT THE STEAM GENERATOR TUBE TEMPERATURES HIGHER, BUT THE SURGE LINE STILL WHEN THE MAXIMUM SG TUBE TEMPERATURE WAS ABOUT 360 K LOWER FAILED FIRST, THAN THE SURGE LINE TEMPERATURE; IT WAS ABOUT 410 K LOWER THAN THE SURGE t
THAN THE SURGE LINE TEMPERATURE; IT WAS ABOUT 410 K LOWER THAN THE SURGE                                                                                                                                                                                 ,
3 LINE TEMPERATURE IN THE BASE CASE.
t 3
i h
LINE TEMPERATURE IN THE BASE CASE.
i
i i


Armcass, 4 WESTINGHOUSE 1/7TH SCALE EXPERIMENTS R. E. Henry and M. Epstein Presented for EPRI to NRC Review Group on Natural Circulation August 19, 1996
Armcass, 4 WESTINGHOUSE 1/7TH SCALE EXPERIMENTS R. E. Henry and M. Epstein Presented for EPRI to NRC Review Group on Natural Circulation August 19, 1996


1 Approach to Scaling NRC Severe Accident Scaling Methodology (SASM)
1 Approach to Scaling NRC Severe Accident Scaling Methodology (SASM)
* Need to have an experiment which has all the physical processes even if the scaling is -
Need to have an experiment which has all the physical processes even if the scaling is -
not perfect. This greatly aids the formation of Process Identification and Ranking Tables (PIRT). The W/EPRI experiments have all the dominant processes.
not perfect. This greatly aids the formation of Process Identification and Ranking Tables (PIRT). The W/EPRI experiments have all the dominant processes.
* Two types of considerations:
Two types of considerations:
Top Down Scaling, Bottom-Up Scaling.
Top Down Scaling, Bottom-Up Scaling.
* Both of these approaches are used to evaluate the W/EPRI experiments and to apply the understanding to the reactor system.                                                   ;
Both of these approaches are used to evaluate the W/EPRI experiments and to apply the understanding to the reactor system.
I i\H VGilot195 A
i\\H VGilot195 A


.                                                                                                                                    i MAAP 4/3B                                                                                                                 HLNC r-l i
i MAAP 4/3B HLNC l
4 i                                                                         Steam                       _
r-i 4
Generator
i Steam Generator Wa s
!                            Wa s (Total Flow)                   N i
(Total Flow)
N i
i t
i t
i
i
                                                                                                                              ~
~
                                                                        /
/
                                  "Out" Tube                     y l
"Out" Tube y
                                                                                                                                      )
4 "Back" Tube 1
:.                                                                                                                                    4
;                                "Back" Tube                         :
1 1
1 1
1 4
4 SeC s
'                                              SeC s
Inlet Outlet j
Inlet                                                         Outlet j
Plenum '
Plenum '                     co                                 ' Plenum l                           {                                           Tg T UP                                              Tc j'                           )               Wgt
co
.                                              _~-~                 [
' Plenum l
l,                                             Wst         ( Hot Leg -
{
Tg Tc j'
)
T Wgt UP
[
_ ~ - ~
l, Wst
( Hot Leg -
1 i
1 I
i AHS25005 CDR 0105-94
),
1 i
1 i
1 i
1 I    !
)
i
Figure 1 Hot leg and steam generator natural circulation flow model.
),              AHS25005 CDR 0105-94 1
i 1      !
i Figure 1               Hot leg and steam generator natural circulation flow model.
)
I i
I i
J                                                                                                                   DATE: 05/01/94 j       VOLUME II REVISION: 0.0 4
J DATE: 05/01/94 j
i
VOLUME II REVISION: 0.0 4 i


k Top Down Scaling Mixing in the SG Inlet Plenum                               i Necessary Conditions
k Top Down Scaling Mixing in the SG Inlet Plenum i
* To establish the appropriate mixing behavior in the inlet plenum, it is necessary to have the same geometry even though it may be in a scaled down system. The EPRI/W experiments represent the RPV, hot leg, surge line and SG geometry.                       i
Necessary Conditions To establish the appropriate mixing behavior in the inlet plenum, it is necessary to have the same geometry even though it may be in a scaled down system.
* The ratio of the flow through the steam generator tubes to the hot leg circulation flow should be preserved in the experiment.
The EPRI/W experiments represent the RPV, hot leg, surge line and SG geometry.
I M *G\l0lt93.A
i The ratio of the flow through the steam generator tubes to the hot leg circulation flow should be preserved in the experiment.
I M *G\\l0lt93.A


1
1
                                                                )
)
Natural Convection Flow In the Hot Legs           )
Natural Convection Flow In the Hot Legs i
i Countercurrent natural circulation flow through l
Countercurrent natural circulation flow through the hot leg
the hot leg
.l WHL
.l WHL
* CFC!E     H - PUP P UP   L l ' HVG'.10l t 95 A
* CFC!E
- PUP P UP L
H l ' HVG'.10l t 95 A


:                                                  I Flow Through the SG Tubes The turbulent momentum equation for flow through the tubes is given by                                         -
Flow Through the SG Tubes The turbulent momentum equation for flow through the tubes is given by L
L      W*2 AP=Apgha=f                         2 D e 2pA 1
W*2 AP=Apgha=f 2
where h g si a reference height.
D 2pA e
Solving for the flow through the tubes results in
1 g s a reference height.
                                                                            '1/2 W=N e
i where h Solving for the flow through the tubes results in
D 2,2D 1
'1/2 2,2D e
e n(c - n) 8 h-             a 4       .fL                                   _
n(c -
I W VGilol195.A
n) 8 h-W=N D
a e
1 4
.fL I W VGilol195.A


i                Ratioing the two flow rates results in
Ratioing the two flow rates results in i
)                                                                           ..
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l                                 ~
l
                                                              '    ' /
~
D, '2 2 D, li g W,                  pn (pc - pH) r f                              _
' /
WHL                            H ~ PUP ,         FCj (DHLj     fLD  ut,
f W,
!                                  . PUP                      (                ,
pn (pc - pH)
The density ratio term is of order unity.
D, '2 2 D, li r
g fLD
. UP H ~ PUP,
(
FCj (DHLj ut, W
P HL The density ratio term is of order unity.
The ratio of this flow should be preserved between the reactor system and the model, i.e.
The ratio of this flow should be preserved between the reactor system and the model, i.e.
the left hand margin can be assumed to be a constant. Therefore:
the left hand margin can be assumed to be a constant.
fD     32
Therefore:
                                              '2 Di li g '*          f D"t     3 D, hg ' M
D" 3 D, h ' M f
    '            N, i
fD 32
4            -    =N (DHL>so         .
'2 D li g
fLD HL.so           (Dutj,jLDut[m SG - Steam Generator                                               '
i i
m - experimental model 1 Sci 101195.A
g t
N,
=N (DHL>so HL.so (Dutj,jLDut[m 4
fLD SG - Steam Generator m - experimental model 1 Sci 101195.A


  . .-.          -......n.a       ..w-. .-...u. -a a-.       s-   . e- . . -  .s   .e-.. -. a   _  & -.
-......n.a
It is further assumed that
..w-.
: 1)             the ratio of the effective height driving the natural circulation and the length of the tube is approximately the same in the scaled experiment.al model, and the steam generator,                                                         _
.-...u.
I I
-a a-.
: 2)             the frictional coefficient is similar for the two systems, which implies a similar                                             l Reynolds number in the steam generator tubes. Finally we arrive at the expression 2.5
s-e-
                                                    -D, D HL   SG Nm  =     N sc                 1,5 D,                  .
.s
r
.e-..
                                                      . HL.m I'HYGil01195.A
a It is further assumed that 1) the ratio of the effective height driving the natural circulation and the length of the tube is approximately the same in the scaled experiment.al model, and the steam generator, I
2) the frictional coefficient is similar for the two systems, which implies a similar Reynolds number in the steam generator tubes. Finally we arrive at the expression
- D,
2.5 D
HL SG N
1 N
=
sc D,
,5 m
r HL.m I'HYGil01195.A


4 Comparison i
Comparison 4
                                                            =
j                Steam Generator N3g = 3260 i
* Tube inside diameter = 0.775 in.
i
i
* Diameter of the hot leg = 36 in.
=
j Steam Generator N g = 3260 3
Tube inside diameter = 0.775 in.
i i
Diameter of the hot leg = 36 in.
2 Experimental Model I
2 Experimental Model I
* Experimental model tube ID = 0.305 in.
Experimental model tube ID = 0.305 in.
4 i
4 Hot leg diameter = 5.14 in.
* Hot leg diameter = 5.14 in.                            .
i N
* N m = 258 (216 used m the model).
= 258 (216 used m the model).
l Hence, it is reasonable to assume that the
l m
    ~
Hence, it is reasonable to assume that the mixing behavior observed in the Westinghouse
mixing behavior observed in the Westinghouse experiments is representative of that which would be experienced in the reactor system.
~
experiments is representative of that which would be experienced in the reactor system.
l ' HVG'.101195. A
l ' HVG'.101195. A


i 2
i 2
4 Bottom-Up Scaling                           l
Bottom-Up Scaling 4
:                                Major Elements of Plenum Mixing                     l i
Major Elements of Plenum Mixing i
.+
.+
!              1.         Hot fluid rising through a scaled steam l                         generator inlet plenum geometry.             -
1.
l                         Experiments have this.
Hot fluid rising through a scaled steam l
j               2.         Entrainment of surrounding fluid with the i                         appropriate (scaled) rise height.
generator inlet plenum geometry.
!                          Experiments have this.
l Experiments have this.
l
j 2.
: 3.         Spreading " ceiling plume" if the hot tube
Entrainment of surrounding fluid with the i
;                          outflow cannot transmit the entire plume.                 1 l                         Experiments have this.
appropriate (scaled) rise height.
l:                                                                                    :
Experiments have this.
:              4.         Mixing of returning cold tube flow and the j                         excess flow of the " ceiling plume".                       !
l 3.
j'                         Experiments have this.
Spreading " ceiling plume" if the hot tube outflow cannot transmit the entire plume.
1 l
Experiments have this.
l:
4.
Mixing of returning cold tube flow and the j
excess flow of the " ceiling plume".
j' Experiments have this.
i I
i I
t i
t i
Line 888: Line 1,158:
I ' HVC1101195. A
I ' HVC1101195. A


  .-                                '-H en s g_ 4,
'-H en s
                                            '          T b v bubastEusujuj j g                   1P  1r 1r g,g l
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1P 1r 1r ht pO u,T QW R
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Th        RO ME95o051.CDR 9 6-95
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O ME95o051.CDR 9 6-95


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                                                                                                                                -map a
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                                                                                                                < ---                  =               .a lt,                 ~T             :                    .
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" Top Hat" Model Comparison Willi Westingliouse SF Test Data 6
6768                   6700             3582           3362 Power                                                   kw             22       22           30                         30     22                     22                         30   30 Pressure                                               har           20.7     27.6     20.7                 27.6           20.7                   27.6               20.7           27.6" T,i                                                                  C 123.7     114.8   159.3               143.2               248.7                 253.4         250.0               240.5
Test Variable Units SG-S1 SG-S2 SG-S3 SG-S4 SG-T1 SG-T2 SG-T3 SG-T4 l
                                                                            'I'c                                                                 C 70.3     72.1       86.8                 86.2           142.4                   171.7           126.4             146 T i,,                                                               C 79.7     80.2   100.8                     98.4         165.8                   185.8           153.4           159.2 (I'i,,)iiiax,tiana                                                     85.4       83.3   106.5               101.6               181.3                   199.4           170.9           177.7 T i,,,,,,,,ici                                                     C   84.8     84.2   105.5               101.5               168                   192                     15g     169               l E o = 0.1 T i,,,,,,,,ici                                                 *C       83       83           103                     100     164.5                   190             151.5             166 E o = 0.116.
6768 6700 3582 3362 Time sec Power kw 22 22 30 30 22 22 30 30 Pressure har 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6" T,
T i,,,,,,o,ici                                                     C   82.8     82.5   102.8                     99.5           164                   189             150.5           165.8 E n = 0.12 t
C 123.7 114.8 159.3 143.2 248.7 253.4 250.0 240.5 i
                                                                  ! O h YO s't l 4k!I! h. U
'I'c C
_ _ __ _ _ _ _ _ _ - _ _ . _ . _ . _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - . _ _                            - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ .                    - - - - - _  _ . _ _ _ - _ _ _ - -          - _ - - - _ _ _ --r   __a_--_ -
70.3 72.1 86.8 86.2 142.4 171.7 126.4 146 T,,
C 79.7 80.2 100.8 98.4 165.8 185.8 153.4 159.2 i
(I'i,,)iiiax,tiana 85.4 83.3 106.5 101.6 181.3 199.4 170.9 177.7 T,,,,,,,,ici C
84.8 84.2 105.5 101.5 168 192 15g 169 l
i E = 0.1 o
T,,,,,,,,ici
*C 83 83 103 100 164.5 190 151.5 166 i
E = 0.116.
o T,,,,,,o,ici C
82.8 82.5 102.8 99.5 164 189 150.5 165.8 i
E = 0.12 n
t
! O h YO s't l 4k!I! h. U
--r a --


i Model Comparison With l                               Westinghouse Water Test Data       1 H,0         E,0     ~
i Model Comparison With l
Variable        -50         -51 Time                   -            -
Westinghouse Water Test Data 1
Power                 29           29 Pressure             1.0         1.0 . l Th                  38.0         26.2     !
H,0 E,0 Variable
Tc                  .30.0       21.0     I T ht                32.9         23.5 (Tht ) max, data   32.9         23.5     '
-50
T ht model             -            -
-51
E o ,= 0.1 Tht model          32.5         22.8 E o ,= 0.116 Tht model               -
~
E o ,= 0.12 Tht Gaussian        32.9         23.2 E n ,= 0.085 l
Time Power 29 29 Pressure 1.0 1.0 T
l
38.0 26.2 h
          ! 9fVC' TABLE C
T
.30.0 21.0 c
T 32.9 23.5 ht (T
) max, data 32.9 23.5 ht T
ht model E,= 0.1 o
T 32.5 22.8 ht model E
,= 0.116 o
T ht model E,= 0.12 o
T 32.9 23.2 ht Gaussian E
,= 0.085 n
l l
! 9fVC' TABLE C


e Gaussian Plume Model 2
e Gaussian Plume Model 2
r u=u   m exp  -
r u=u exp m
R,   -
R,
                                                          =
=
                                      ~             ~
~
T-T,                     r 2
~
                              = exp T m - T,            .
T-T, r 2
= exp 2
12 R_
12 R_
2
T
        -u m      - centerline velocity.
- T, m
T ni - centerline temperature.
-u
Entrainment coefficient = 0.082 for Gaussian distribution.
- centerline velocity.
Boundary Conditions R(o) = R'o, u m (o) = uo , Tm(o) = T',
m T
Where                                           .
- centerline temperature.
1 + A2-T', = T
ni Entrainment coefficient = 0.082 for Gaussian distribution.
                              + (T -T)             ,
Boundary Conditions R(o) = R'o, u (o) = u, T (o) = T',
l R'o = y/f R o l
m o
  ! H v G\t01195 A
m Where 1 + A2-T', = T
+ (T -T) o R'o = y/f Ro l
! H v G\\t01195 A


                                  " Gaussian" Model Comparison With Westinghouse SF6 Test Data Test Variable         Units                                                                                                                           SG-T1    SG-T2    SG-T3  SG-T4 SG-Si  SG-S2                                                                                        SG-S3        SG-S4 Tiine                 sec     -                          -                                                                              -    -
" Gaussian" Model Comparison With Westinghouse SF Test Data 6
6768       6700     3582   3362 l'ower                 kw     22                   22                                                                                   30   30       22       22       30       30 -
Test Variable Units SG-Si SG-S2 SG-S3 SG-S4 SG-T1 SG-T2 SG-T3 SG-T4 Tiine sec 6768 6700 3582 3362 l'ower kw 22 22 30 30 22 22 30 30 -
l'ressure             bar   20.7         27.6                                                                                         20.7   27.6     20.7       27.6     20.7     27.6 C   123.7     114.8                                                                                           159.3 143.2   248.7     253.4   250.0 240.5 T,,
l'ressure bar 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6 T,,
C   70.3         72.1                                                                                         86.8 86.2     142.4     171.7   126.4     146
C 123.7 114.8 159.3 143.2 248.7 253.4 250.0 240.5
      'I'c C   79.7           80.2                                                                                     100.8 98.4     165.8     185.8   153.4   159.2 T i,,
'I'c C
85.4           83.3                                                                                     106.5 101.6   181.3     199.4   170.9   177.7 (l'i,,)iiiiis,d ,,.,
70.3 72.1 86.8 86.2 142.4 171.7 126.4 146 T,,
C   89.5             88.0                                                                                     112.0 106.4   176.5       199     16h    176.5 7 T i,,,c;,,,ss;a,,
C 79.7 80.2 100.8 98.4 165.8 185.8 153.4 159.2 i
(l'i,,)iiiiis,d,,.,
85.4 83.3 106.5 101.6 181.3 199.4 170.9 177.7 16h 176.57 T,,,c;,,,ss;a,,
C 89.5 88.0 112.0 106.4 176.5 199 i
E,, = 0.085 t
E,, = 0.085 t
tiivut i a til i
tiivut i a til i


PLUNE VERSUS STEAM GENERATDR FLOW RATES Plume Flow'     Floiv in Steam Just Below Tube     Generator, Test     Sheet, kg s-1       kg s-1 SG-S1           0.250           0.114
PLUNE VERSUS STEAM GENERATDR FLOW RATES Plume Flow' Floiv in Steam Just Below Tube Generator, Test Sheet, kg s-1 kg s-1 SG-S1 0.250 0.114
                                                        ~
~
SG-S2           0.345           0.146 SG-S3           0.243           0.120 SG-S4           0.330           0.137 SG-T1           0.208           0.036 SG-T2           0.239           0.083 SG-T3           0.220           0.101 SG-T4           0.283           0.136                   !
SG-S2 0.345 0.146 SG-S3 0.243 0.120 SG-S4 0.330 0.137 SG-T1 0.208 0.036 SG-T2 0.239 0.083 SG-T3 0.220 0.101 SG-T4 0.283 0.136 H 0-20 0.289 0.024 i
H20-20           0.289           0.024                   i Calculated with axisymmetric Gaussian plume               l model.
2 Calculated with axisymmetric Gaussian plume model.
! ' HVC\ TABLE b
! ' HVC\\ TABLE b


)
)
4
4 i
.                                                                                  1 I
l l
i l
Mixing of Excess Plume j
l Mixing of Excess Plume                       j Flow and Returning =                       l
Flow and Returning =
.                                            Tube Flow l
l Tube Flow
l
- T ) = n1, gc - T )
                                        -                                          1 (b Plume - NIht)  ht  - T ) = n1, c    3  gc - Tct) .
- NIht)
L I
(b ht Plume c
1 Hi ht R=
3 ct L
b Plume -b         ht i
I
T ht +RT         ct T' _       1+R
.Hi ht R=
        ! \HVC'.101195. A
b
-b Plume ht i
T
+RT ht ct T' _
1+R
! \\HVC'.101195. A


Comparison of Measured and Calculated Plenuin Mixing Temperatures Tc                                                                                Tc Test                           R                                                                               T iit  T ct (expt.)                                             (plume inodel)
Comparison of Measured and Calculated Plenuin Mixing Temperatures T
SG-SI                         0.838                                                                           83.0   55.4   70.3                                                                               70.4 SG-S2                         0.734                                                                           83.0   57.3   72.1                                                                               72.1 .
T c
SG-S3                         0.976                                                                           103.0 64.7   86.8                                                                               84.1 SG-S4                         0.71                                                                           100.0 65.2   86.2                                                                               85.5 SG-Tl                         0.209                                                                           164.5 115.8 142.4                                                                             156.1 SG-T2                         0.532                                                                             190   152.0 171.7                                                                             176.8 SG-T3                         0.849                                                                           151.5 103.3 126.4                                                                             129.4 SG-T4                         0.925                                                                           166.0 120.9 146.0                                                                             144.3 II2 0-20                     0.0906                                                                           32.9   10.1 30.6                                                                               30.0 t
c Test R
I slit t al Al41 t.
T T
(expt.)
(plume inodel) iit ct SG-SI 0.838 83.0 55.4 70.3 70.4 1
SG-S2 0.734 83.0 57.3 72.1 72.1 SG-S3 0.976 103.0 64.7 86.8 84.1 SG-S4 0.71 100.0 65.2 86.2 85.5 SG-Tl 0.209 164.5 115.8 142.4 156.1 SG-T2 0.532 190 152.0 171.7 176.8 SG-T3 0.849 151.5 103.3 126.4 129.4 SG-T4 0.925 166.0 120.9 146.0 144.3 II 0-20 0.0906 32.9 10.1 30.6 30.0 2
t I slit t al Al41 t.
?


,                                                                                                                                                                                                                                                                          .3
.3 i
:                                                                                                                                                                                                                                                                                  i y
y SCDAP/RELAP5 SGTR Analyses i
SCDAP/RELAP5 SGTR Analyses i
Idah D.L.Knudson National t
Idah                                                                                                               D.L.Knudson National Engineering L a b ora tory                                                                                                                                                                                                                                                               :
Engineering L a b ora tory
3l
]
]
SCDAP/RELAPS Natural Circulation Model Review Burr Ridge, Illinois                                                                                                                                                     j!
SCDAP/RELAPS Natural Circulation Model Review 3l Burr Ridge, Illinois j!
August 19-20,1996                                                                                                                                                                   {
August 19-20,1996
{
4 G,
4 G,
i
i i


l Presentation Overview
l Presentation Overview SCDAP/RELAP5 calculation oajectives SCDAP/RELAP5 Surry loop calculations Surry loop results SCDAP/RELAPS Surry plant calculations Surry plant results l
  -  SCDAP/RELAP5 calculation oajectives
Conclusions i
  -  SCDAP/RELAP5 Surry loop calculations
  -  Surry loop results
  -  SCDAP/RELAPS Surry plant calculations
  . Surry plant results
    - Conclusions                                                                                                                                                                 ,
i


SCDAP/RELAPS Calculation Objectives Evaluate variations in hot leg countercurrent natural circulation with respect to SG tube temperatures using a Surry (stand-alone) loop model Evaluate the potential for natural circulation-induced RCS pressure boundary failures, including SGTRs, using a Surry (full) plant model i
1 SCDAP/RELAPS Calculation Objectives Evaluate variations in hot leg countercurrent natural circulation with respect to SG tube temperatures using a Surry (stand-alone) loop model Evaluate the potential for natural circulation-induced RCS pressure boundary failures, including SGTRs, using a Surry (full) plant model i


SCDAP/RELAP5 Surry Loop Calculations Based on a stand-alone model of the Surry primary coolant loop containing the pressurizer Boundary conditions to drive the loop model were extracted from Surry plant results for a TMLB' transient without recovery; without operator action; without oxidation; and with modeling provisions to allow development of in-vessel, l full loop, and hot leg countercurrent natural circulation All loop calculations initiated at the onset of countercurrent flow (9200 s) and extended ~5000 s (corresponding with surge line failure in the plant calculation) with variations in hot leg countercurrent natural circulation conditions
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SCDAP/RELAP5 Surry Loop Calculations Based on a stand-alone model of the Surry primary coolant loop containing the pressurizer j
Boundary conditions to drive the loop model were extracted from Surry plant results for a TMLB' transient without i
recovery; without operator action; without oxidation; and with modeling provisions to allow development of in-vessel, l
full loop, and hot leg countercurrent natural circulation All loop calculations initiated at the onset of countercurrent flow (9200 s) and extended ~5000 s (corresponding with surge line failure in the plant calculation) with variations in l
hot leg countercurrent natural circulation conditions


                                                                  ~
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l SCDAP/RELAPS Surry Loop Calculations Variations considered
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  -num 3er of tubes participating in forward (hot) flow (measured between 29 and 61% of the SG tube bundle)             .
SCDAP/RELAPS Surry Loop Calculations Variations considered
  -mixing fraction (measured between 0.76 and 0.89)         -
-num 3er of tubes participating in forward (hot) flow (measured between 29 and 61% of the SG tube bundle)
  -recirculation ratio (measured between 1.69 and 2.39)
-mixing fraction (measured between 0.76 and 0.89)
Separate loop calculations were included so that SG tube temperatures could be evaluated over the measured range All loop calculations were completed with variation of only one parameter at a time (all other paro oeters were he d constant at " average" conditions) i
-recirculation ratio (measured between 1.69 and 2.39)
Separate loop calculations were included so that SG tube temperatures could be evaluated over the measured range i
All loop calculations were completed with variation of only one parameter at a time (all other paro oeters were he d l
constant at " average" conditions) i


                                                                                                                                                                                                      /
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Surry Loop Results
Surry Loop Results 900.0             .
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i         SCDAP/RELAP5 Surry Plant Calculations TMLB' transient in all calculations
i SCDAP/RELAP5 Surry Plant Calculations i
        -wit 7out recovery and without operator action
TMLB' transient in all calculations
        -with creep rupture monitoring of the surge line, hot legs, and SG tubes                                                                                                   ;
-wit 7out recovery and without operator action i
        -with modeling provisions to allow development of in-vessel, full loop, and hot leg countercurrent natural circulation
-with creep rupture monitoring of the surge line, hot legs, and SG tubes
:        Benchmarked with
-with modeling provisions to allow development of in-vessel, full loop, and hot leg countercurrent natural circulation 1
            ~9% of core energy deposited in structures in each loop
i Benchmarked with
          -35% of SG tube bundle available for forward (hot) flow l
~9% of core energy deposited in structures in each loop
          -mixing fractions at ~0.87                                                                     ,, 7
-35% of SG tube bundle available for forward (hot) flow l
                                                                                                                ,.I.
-mixing fractions at ~0.87 7
          -recirculation ratio at ~1.9
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-recirculation ratio at ~1.9 I


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Vessel Nodalization w~
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SCDAP/RELAPS Surry Plant Calculations Case Assumed Severe Accident Condition 1 2 3 4 5 6 7 x
x   x RCS depressurization via pressure boundary failure x x x x     x 35% hot tubes /65% cold tube nodalization                                                   i x x 53% hot tubes /47% cold tubes nodalization x
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Surry Plant Results - Case 1 1.00           .
Surry Plant Results - Case 1 1.00 O
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Surry Plant Results - Case 2 15.0                   .
Surry Plant Results - Case 2 15.0 i
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i (y) eJn}EJedujOl OJnlonJ}S dOO] JOZpnSSOJd l


Surry Plant Results - Case 3 2000.0         .
Surry Plant Results - Case 3 2000.0 i
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r Surry Plant Results - Case 3 1.0       .
r Surry Plant Results - Case 3 A
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Surry Plant Re.sults - Case 6 20.0               .
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Surry Plant Results - Case 6 1.0         .    ,    .
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9 o.
o.8 o
o o
O o
o O
O O
o LO O
10 N
v-2--
(y) eJn}BJOdWO} OJn}OnJ}S dOOl JOZpnSSOJd
(y) eJn}BJOdWO} OJn}OnJ}S dOOl JOZpnSSOJd


Surry Plant Results - Case 7 C
Surry Plant Results - Case 7 C
1.0           .
S-1.0 i
i i
i i
i   -
i
i    S-
~
        ~
g O
g               O   O Surge line A   A H t ieg                                               _
O Surge line E 0.8 A
E 0.8      -
A H t ieg V
m              V    V SG tube
V SG tube m
?         .
?
E m                                                                           _
E m
V 0.6         -
V 0.6 O
O                                                                                 -
e o
e         .
1 8 0.4
o 1                                                                             _
]
8 0.4
~
]                                                                             ~
$ 0.2 e
  $ 0.2 e
o_
o_
00 m           m       bX     3 3 4-N-G-d-G-M         13000.0 15000.0 5000.0           7000.0       9000.0       11000.0                               ;
00 m m
Time (s) t 4
bX 3
* e
3 4-N-G-d-G-M 5000.0 7000.0 9000.0 11000.0 13000.0 15000.0 Time (s) t 4
e


Conclusions Maximum SG tube temperatures increase with                     ,
Conclusions l
-a decrease in the number of tubes participating in forvvard (hot) flow                                                   ,
l Maximum SG tube temperatures increase with
-a decrease in the number of tubes participating in forvvard (hot) flow
-a decrease in the mixing fraction
-a decrease in the mixing fraction
-an increase in the recirculation ratio SCDAP/RELAP5 results are consistent with the expected SG tube temperature effects for variations in hot leg countercurrent natural circulation Variations in hot leg countercurrent natural circulation (within the experimental range) have a negligible impact on SG tube temperatures                   :                    :
-an increase in the recirculation ratio t
SCDAP/RELAP5 results are consistent with the expected SG tube temperature effects for variations in hot leg countercurrent natural circulation Variations in hot leg countercurrent natural circulation (within the experimental range) have a negligible impact on l
SG tube temperatures


i i
i i
i Conclusions i  -  Pre.ssurizer surge line creep rupture was the first RCS l
i Conclusions Pre.ssurizer surge line creep rupture was the first RCS i
pressure boundary failure in all Surry plant calculations           :
l pressure boundary failure in all Surry plant calculations l
considered
considered The pressurizer surge line failed in the early phase of core I
    -  The pressurizer surge line failed in the early phase of core       I damage (before the onset of fuel melting) in all Surry plant calculations considered
damage (before the onset of fuel melting) in all Surry plant j
    - If pressurizer surge line and hot leg failures are ignored AND a SG secondary ADV fails open, SGTR could occur ~15 to 20 min after the first RCS pressu.re boundary failure i
calculations considered If pressurizer surge line and hot leg failures are ignored AND l
                                                                        .l
a SG secondary ADV fails open, SGTR could occur ~15 to 20 min after the first RCS pressu.re boundary failure i
l
.l


t USE OF SEVERE ACCIDENT THERMAL-HYDRAULIC ANALYSIS RESULTS lN RISK ESTIMATE FROM STEAM GENERATOR TUBE FAILURE         -
i I
i AUGUST 20,1996 t
i t
1 v     i El X     ;
USE OF SEVERE ACCIDENT THERMAL-HYDRAULIC ANALYSIS RESULTS lN RISK ESTIMATE FROM 1
I     ,
STEAM GENERATOR TUBE FAILURE i
Joseph Donoghue, NRC Telephone: (301) 415-1131       %    l k,   .
AUGUST 20,1996 t
1 v
i El l
X I
Joseph Donoghue, NRC Telephone: (301) 415-1131 l
k, l
i
i


                                                                                          ~
BACKGROUND
BACKGROUND
* SGTR risk contributions from spontaneous and induced tube failures
~
  - Spontaneous failures often due to unknown mechanisms
SGTR risk contributions from spontaneous and induced tube failures
  - Induced Failures:
- Spontaneous failures often due to unknown mechanisms
Mechanical - Circumferential Crack failures Pressure - ATWS, Secondary Depressurization Thermal - Severe Accident                                                   ,
- Induced Failures:
* Previous studies concluded that thermally induced tube failure not a significant concern during severe accidents (e.g, NUREG 1150, DCH studies)
Mechanical - Circumferential Crack failures Pressure - ATWS, Secondary Depressurization Thermal - Severe Accident Previous studies concluded that thermally induced tube failure not a significant concern during severe accidents (e.g, NUREG 1150, DCH studies)
  - Same conclusions reached for degraded and pristine tubes                                 t (NUREG/CR-4551, " Evaluation of Severe Accident Risks: Qdantification of Major input Parameters," December 1990)                                                 ,
- Same conclusions reached for degraded and pristine tubes t
1 4
(NUREG/CR-4551, " Evaluation of Severe Accident Risks: Qdantification of Major input Parameters," December 1990) 1 4


SEVERE ACCIDENT TUBE CHALLENGE o Event tree developed to include thermally induced SGTR resulting from core damage events                                                           i e Considerations:
SEVERE ACCIDENT TUBE CHALLENGE Event tree developed to include thermally induced SGTR resulting from o
Events leading to high tube temperature Events resulting in high or intermediate RCS pressure and dry SGs e Frequency range of E-5 for thermal challenge from NUREG 1150 analysis for Surry and comparisons with available information in IPE Database
core damage events i
* Starting an order of magnitude from surrogate safety goal e Applicability to other designs considered:                 ,
e Considerations:
No PORVs in some CE plants Potential for RCP seal LOCAs, loop seal clearing
Events leading to high tube temperature Events resulting in high or intermediate RCS pressure and dry SGs Frequency range of E-5 for thermal challenge from NUREG 1150 analysis e
  -  Differences in severe accident progression l
for Surry and comparisons with available information in IPE Database Starting an order of magnitude from surrogate safety goal Applicability to other designs considered:
f e
No PORVs in some CE plants Potential for RCP seal LOCAs, loop seal clearing Differences in severe accident progression l


1 SEVERE ACCIDENT TUBE CHALLENGE                                           .
1 SEVERE ACCIDENT TUBE CHALLENGE Thermal-Hydraulic Analyses:
Thermal-Hydraulic Analyses:
Use representative plants to analyze most likely thermal challenge
* Use representative plants to analyze most likely thermal challenge scenario                                                                       '
[
Surry Base Case: SBO, loss of AFW, One SG depressurized
scenario Surry Base Case: SBO, loss of AFW, One SG depressurized e
* Arkansas Nuclear One, Unit 2
Arkansas Nuclear One, Unit 2
      - CE design without PORVs                                                       !
- CE design without PORVs e
Other cases:                                                                   i
Other cases:
      - RCP seal LOCA
i
      - Primary-to-secondary leakage                                                 ;
- RCP seal LOCA
      - PORV fails open                                           ,
- Primary-to-secondary leakage
      - All SGs depressurized i
- PORV fails open
b
- All SGs depressurized r
i b


l TUBE FAILURE PROBABILITY l                                                                                   :
l TUBE FAILURE PROBABILITY l
o Calculate probability of SG tube failure PRIOR TO surge line or hot leg for any given crack size. Result is conditional tube failure probability o Steps:
Calculate probability of SG tube failure PRIOR TO surge line or hot leg o
    - SCDAP/RELAP5 analysis provides temperature and pressure histories
for any given crack size. Result is conditional tube failure probability o
    - Calculate creep failure times for each component
Steps:
    - include material uncertainties
- SCDAP/RELAP5 analysis provides temperature and pressure histories
    - Include effects of tube flaws                                                 i
- Calculate creep failure times for each component
    - Include thermal-hydraulic uncertainties:                   '
- include material uncertainties
        - Relative time to failure
- Include effects of tube flaws i
        - Conditions leading to tube failure
- Include thermal-hydraulic uncertainties:
    - Other factors:
l
Tube dimension uncertainties, Crack paranleter variability                 :
- Relative time to failure
- Conditions leading to tube failure
- Other factors:
Tube dimension uncertainties, Crack paranleter variability


y
y
                                                                                                                                            'i i
'i i
[
[
Surry Case 3R i                         ,
Surry Case 3R j
j i
i i
Variable Pressure-1.0                                                                                   . .- 7 from RELAP/SCDAP                                               :              il il i   1 ij                                   ,
Variable Pressure-1.0
I                                    L 0'8                                                                                                   if                -
..- 7 il from RELAP/SCDAP il i
CD Index.SM = 1.0                                                   y                                     l t                                     -
1 ij I
Surge Line CD Index R/S                                             il
L f
                                                                                                          'I x
0'8 i
                              -- Hot Leg CD Index R/S                                                                     '
CD Index.SM = 1.0 y
l
l t
                                    - Tube CD Index R/S                                                   '
Surge Line CD Index R/S l
E 0.6                                                                                                                     -
i 7
'I x
-- Hot Leg CD Index R/S l
- Tube CD Index R/S l
E 0.6 I
[
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e                                                                                                       I                                     '
e CD I
CD                                                                                      '
I m
I                                      I m                                                                                       .
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I m
m O                                                                                                   .
O 0.4 1
0.4                                                                                                                     --
l i
1 l
ii 1
ii i -
I I
1            I I
E I
                                                                                        .                                                        E I
b 0.2 i-i i
0.2           -
i-i i
[
[
t                                         >
t g
                                                                                      .          g f
f t
                                                                            ,                  t 0.0                                                                                     "
0.0 0.0 100.0 200.0 300.0 Time (min) l
0.0                                   100.0                   200.0                                         300.0               !
Time (min)                                                                       l


Surry Case 3R Variable Pressure 1.0 from RELAP/SCDAP                                                                                                                                                                                                                                                             ,l i
Surry Case 3R Variable Pressure 1.0 from RELAP/SCDAP
                                                                                                                                                                                                                                                                                            ,' l
,l i
:          il il 0.8                                                                                                                                                                                                                                                                                     ll           ~
,' l il il 0.8 ll
CD Index SM = 2.0                                                                                                                                                                                                                         it Surge Line CD Index R/S                                                                                                                                                                                                                   ll
~
                                                                                                                                                                                                                                                                                            'l x          - - - - Hot Leg CD Index R/S                                                                                                                                                                                                                                                                 '
CD Index SM = 2.0 it Surge Line CD Index R/S ll
$                              - Tube CD Index R/S                                                                                                                                                                                                                                         I
'l
.E 0.6                                                                                                                                                                                                                                                                                                 -
- - - - Hot Leg CD Index R/S x
e                                                                                                                                                                                                                                                                                         I 8'
- Tube CD Index R/S I
E                                                                                                                                                                                                                                                                                       i 5
.E 0.6 I
o                                                                                                                                                                                                                                                                                        i.
e 8'
0.4                                                                                                                                                                                                                                                                               ;!              -
E i
l'i ri i ll It 0.2             .
i.
l ,i
5o 0.4 l'i ri i ll It 0.2 l,i I'
:-    I' j                                                             t 0.0                                                                                                                                                                                                                                                                                             -
j t
0.0                                                                             100.0                                                                                                                                                                       200.0                         300.0                                     ,
0.0 0.0 100.0 200.0 300.0 Time (min)
Time (min)


Surry Case 3R 1.0 -
Surry Case 3R 1.0 E
E Steam Generator Tube &                                                               i      lI Surge Line                                                                           !      l 0.8                                                                                                   '\j l\                                                -
i lI Steam Generator Tube &
l
Surge Line l
                                                                                                          !              i li ANL Up Limit                                                                     ll l CDI from R/S                                                                     l! I l x 0~6           - - - - ANL Mid                                                                           :
'\\ \\
If f ll
0.8 j l l
-8               - -- - ANL Low Limit                                                                     gj i e
i li ANL Up Limit ll l CDI from R/S l! I l If f ll x 0~6
o dI            i Surge     li i   -
- - - - ANL Mid
E                                                                                             Line     N           '              Tubes m                                                                                                       pl          i o 0.4 il l l Il I '
-8
q! I k                   i i;                                                                 >
- -- - ANL Low Limit gj i dI e
0.2                                                                                                 li                                                     -
i Surge li i o
Il iI
E Line N
                                                                                                      $ I) .
Tubes pl m
ti l 0.0    --- -
i o 0.4 il l l Il I '
i                                                     i       Ib '/    '
q! I k
O.0                         100.0                                                 200.0                                                         300.0 Time (min)
i i;
0.2 li Ili I
$ I).
ti l Ib '/
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Surry Case 3R 1.0 -
Surry Case 3R 1.0
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CONTAINMENT BYPASS PROBABILITY e         Apply conditional failure probabilities for each crack size to flaw distribution covering range of crack sizes
CONTAINMENT BYPASS PROBABILITY e
* Flaw distributions generated for three plant categories:                                                                             ,
Apply conditional failure probabilities for each crack size to flaw distribution covering range of crack sizes Flaw distributions generated for three plant categories:
Good, Average, Poor
Good, Average, Poor Preliminary results for " Average" plant:
* Preliminary results for " Average" plant:
- Assuming nominal tube temperatures, Tube failure probability about 6%, Bypass < E-6
                - Assuming nominal tube temperatures, Tube failure probability about 6%, Bypass < E-6
- Assuming higher tube temperatures, Tube failure probability about 20%, Bypass = E-6
                - Assuming higher tube temperatures, Tube failure probability about 20%, Bypass = E-6 e          " Poor" plant distribution being revised, but initial result yielded Tube failure probability of 100%, Bypass = E-5
" Poor" plant distribution being revised, but initial result yielded e
Tube failure probability of 100%, Bypass = E-5


RISK ESTIMATE KEY ISSUES
RISK ESTIMATE KEY ISSUES Event Tree Quantification:
* Event Tree Quantification:
- Event frequency in E-5 range is consistent with range in IPE survey Thermal-Hydraulic Modeling:
  - Event frequency in E-5 range is consistent with range in IPE survey
- Creep failure prediction dependent on understanding temperature and pressure time histories Representative Flaw Distribution:
* Thermal-Hydraulic Modeling:
- Effort ongoing to revise poor plant distribution
  - Creep failure prediction dependent on understanding temperature and pressure time histories
- Also working to understand uncertainties Tube Performance Model:
* Representative Flaw Distribution:
- Based on high temperature tube tests
  - Effort ongoing to revise poor plant distribution
- Includes material uncertainties
  - Also working to understand uncertainties
- Workin'g to understand flaw characterization uncertainties RCPB Weak Points: Only qualitative treatment for potential of other component failures (other than hot leg, surge line, tubes) 6
* Tube Performance Model:                                     '
  - Based on high temperature tube tests
  - Includes material uncertainties
  - Workin'g to understand flaw characterization uncertainties
* RCPB Weak Points: Only qualitative treatment for potential of other component failures (other than hot leg, surge line, tubes) 6 .


                                                                                                                                                                          .~
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SG SEVERE ACCIDENT RISK ESTIMATE EVENT TREE KEY SEQUENCES I ASSOCIATED T-H             [                   -
SG SEVERE ACCIDENT RISK ESTIMATE EVENT TREE KEY ASSOCIATED T-H
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ANALYSIS
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Latest revision as of 04:04, 12 December 2024

Summary of 960819-20 Meeting at Fauske & Associates,Inc in Burr Ridge,Il Re Review of SCDAP/RELAP5 Code Modeling of Natural Circulation Under Severe Accident Conditions
ML20134K080
Person / Time
Issue date: 08/26/1996
From: Richard Lee
NRC OFFICE OF NUCLEAR REGULATORY RESEARCH (RES)
To: Ader C
NRC OFFICE OF NUCLEAR REGULATORY RESEARCH (RES)
References
NUDOCS 9611180230
Download: ML20134K080 (120)


Text

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Augu st 26, 1996 i

MEMORANDUM T0:

Charles Ader, Chief Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology l

Office of Nuclear Regulatory Research THRU:

Charles Tinkler Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research FROM:

Richard Lee Accident Evaluation Branch Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research

SUBJECT:

SUMMARY

OF MEETING AUGUST 19-20, 1996 MEETING AT FAUSKE AND ASSOCIATES, INC., IN BURR RIDGE, ILLIN0IS.

Enclosed is a summary of the meeting on the review of the SCDAP/RELAPS i

code modeling of natural circulation under severe accident conditions, held on August 19-20, 1996, at Fauske & Associates, Inc., in Burr Ridge, Illinois.

Enclosure:

As stated Distribution:

DST Chron, AEB r/f, Lee r/f, Lee, Tinkler, Ader, King, Hodges CF

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I Enclosure Meeting Summary SCDAP/RELAP5 code modeling of natural circulation under severe accident conditions August 19-20, 1996 Fauske & Associates, Inc.

16WO7 West 83rd Street Burr Ridge, IL

Participants:

j R. Viskanta, Purdue University t

M. Ishii, Purdue University P. Griffith, Massachusetts Institute of Technology C. Ader, C. Tinkler, R. Lee, J. Donoghue, J. Staudenmeier, USNRC 1

D. Knudson, E. Harvego, P. Bayless, Idaho National Engineering 1

Laboratory I. Catton, ACRS-NRC i

M. Epstein, R. Henry, Fauske & Associates Note: Reviewers are Viskanta, Ishii and Griffith (consultants of Energy i

Research, Inc.).

Catton participated as an observer for ACRS.

R. Henry participatad as a representative of the nuclear industry.

Summary:

The meeting commenced at 9:00 a.m. on August 19, 1996, with the introduction of the agenda by R. Lee (Attachment 1). An introduction on l

the. purpose of the meeting, and background on the SCDAP/RELAP5 (SR5) i modelling of natural circulation under severe accident conditions was provided by C. Tinkler (Attachment 2).

I. Catton stated his views on the scaling of the Westinghouse 1/7 scale natural circulation experiments, and how uncertainties should be treated in estimating risk for steam generator tube failures.

P. Bayless presented the background on the development of the SR5 model (Attachment 3). Next, R. Henry gave a presentation on the Westinghouse 1/7 scale experiments (Attachment 4).

After, Henry's presentation, Bayless returned to present the benchmarking of SR5 against the Westinghouse 1/7 scale experiments, and discussed the use of SRS to analyze natural circulation in the Surry plant (Attachment 3).

Next, D. Knudson presented the most'recent SR5 analyses of the Surry plant (attachment 5). Throughout these presentations, discussions took place among the reviewers and participants on subjects presented.

On August 20, 1996, J. Donoghue discussed how the SR5 analysis results are being used in estimating the risk associated with steam generator tube failure (Attachment 6).

After some discussion, the reviewers caucused among themselves. Thereafter, P. Griffith provided their preliminary comments on the meeting.

The reviewers stated their view that (a) the experimental (Westinghouse 1/7

4 4

2 scale experiments) data was good and that the experiment was well.

designed, and additional experimental data was not needed; and (b) the code (SR5) was certainly adequate for the job (i.e., to calculate natural circulation under severe accident conditions), the implementation of the code was good and the constitutive relationships used by SR5 were adequate. They recommended additional activit for the purpose of demnnstrating more clearly the adequacy of the modeling (i.e., establishing a " figure of merit" by summarizing the experimental data and the analytical (SR5 calculations) results in a fashion (e.g.,

temperature vs. time) to show that the experimental data and the analytical results give the same systematic overall behavior in the reactor system being studied.

P. Griffith went on to state his additional view that once a " figure of merit" was established, it would be worthwhile to perform a few sensitivity calculations for parameters which may vary widely (e.g., a factor of 2, affecting the heatup rates of different reactor components (e.g., surge line, hot leg, steam generator tubes)). After a brief discussion to clarify some of the reviewers' comments, the meeting was adjourned around 1:00 p.m.

Attachments: As stated i

s, -

ATTM PMEtet i, SCDAP/RELAP5 cods modeling of natural circulation under severe accident conditions August 19-20, 1996 l

Fauske & Associates,Inc.

16WO7 West 83rd Street Burr Ridge, IL AGENDA i

August 19,1996 1

a) 9:00 a.m.

Opening Remarks SRC b)

SCDAP/RELAP5 (SRS) m6deling sf naturht cirestation anld steam generator _(SG)~

tube heating in a PWRs

? Model development and'assessmentiand

. scallag isseen development of SR5 model 9:15 a.m.

in-vessel natural circulation hot leg countercurrent now SG inlet plenum mixing heat transfer modeling (in SG hot leg, surge line)

INEL 10:45 a.m.

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_1/7 scale experiments FAI W

11:00 a.m.

11:45 a.m.

Discussion Reviewers 12:15 p.m.

Lunch SR5 assessment ISTL 1:15 p.m.

2:15 p.m.

Discussion Reviewers 3:00 p.m.

Break c)

Applicatida"of SR5 for PWR analyses Surry INTL 3:15 p.m.

modelling uncertainties INEL 4:15 p.m.

Discussion Reviewers 5:00 p.m.

Adjourn

\\

August 20,1996 d)

Application of SR5 for PWR analyses l(contfaned) i Most recent SRS application j

9:00 a.m.

i for P%Rs INEL 10:00 a.m.

Discussion Reviewers 10:30 a.m.

Break A perspective on the use of SR5 e) 10:45 a.m.

thermal hydraulic analyses (including affects of fission products transport)

NRC i

11:15 a.m.

Discussion / Comments Reviewers i

12:00 p.m.

Lunch 1:15 p.m.

Comments / Discussion All 2:30 p.m.

Adjourn i

i e

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1 Review of SCDAP/RELAP5 Modelling for

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Assessment of Steam Generator Tube Integrity August 19-20, 1996 4

W 2

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REVIEW OF SCDAP/RELAP5 MODELLING OF NATURAL CIRCULATION UNDER SEVERE ACCIDENT CONDITIONS Objective:

Obtain independent assessment of the adequacy of SCDAP/RELAP5 modelling of l

natural circulation under severe accident conditions for the purpose of calculating the relative timing and failure of RCS components in order to evaluate the risk associated with thermally-induced steam generator tube ruptures Reviewers:

3 Consultants to Energy Research Incorporated (ERI):

Raymond Viskanta (Purdue University)

Mamoru Ishii (Purdue University) l Peter Griffith (Massachusetts Institute of Technology) l Schedule:

)

Review Group to provide its conclusion to ERI by 8/30/%.

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t REVIEW OF SCDAP/RELAPS MODELLING OF NATURAL CIRCULATIO l

SEVERE ACCIDENT CONDITIONS f

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1 BACKGROUND f

As part of the rulemaking on steam generator tube integrity, an issue has been raisl relative to the performance of flawed tubes and their likelihood of failure during a 9

i severe accident. The concern arises due to hot gases circulating through the steam j

generator tubes and inducing tube failure due to the elevated temperature of the r

Past SCDAP/RELAPS (SR5) analyses performed in conjunction with DCII issue resolution assessed the relative heatup and failure (using creep rupture models) of RCS O

components (i.e., hot leg, surge line, unflawed SG tubes and the RPV lower head)

The calculations considered a standard TMLB' sequence (with a pressurized secondary; system).

Current analyses focused on sequence with depressurized steam generator (on i

pressurizer h>op). Greater challenge to tubes but a lower probability due to S

failures required.

Additional analyses to address mixing /phenomenological uncertainties.

9 SR5 analyses are to assist in addressing the thermally-induced SGTR. Spontaneous 1

9 SGTR and pressure-induced SGTR are examined separately.

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i REVIEW OF SCDAP/RELAP5 MODELLING OF NATURAL CIRCULATION l SEVERE ACCIDENT CONDITIONS Past usage of SR5 calculations with natural c:rculation modelling:

SR5 use to address natural circulation in the reactor system as one of the major l

e areas of uncertainty identified in NURGE-0956 (" reassessment of the Technical Bases for Estimating Source Terms,7/86). Specifically, SR5 analyses were performed for a Surry TMLB' accident (NUREG/CR-5214,10/88) i SR5 was also used to assess failures of ex-vessel components (hot leg, surge line, r

l e

steam generator tube) vs. RPV lower head under the direct containment heating l

(DCII) issue resolution for PWRs. Results were peer reviewed.

Zion DCII issue resolution (NUREG/CR-6075, Supp.1,12/94),

Surry DCII issue resolution (NURGE/CR-6109, 5/95),

i DCII issue resolution for Westinghouse plants with large dry containments or subatmospheric containments (NUREG/CR-6338, 2/96)

Levy-LA, IIenry-FAI, Moody-GE, Modarres-Univ. of Md, Peer reviewers:

Sheppard-Cal. Tech, Ishii-Purdue i

SRS was also used to assist peer reviewers (Levy, IIenry, Ishii, Moody.

Corradini) in establishing initial conditions (e.g., melt mass and composition) for e

the CE DCII testing.

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~

i Summary of Results O

Plant analysis performed for representative designs Surry SV)

ANO-2 (CE)

Analyses consistently showed that for countercurrent flow severe accident conditions e

first failures occurred at surge line or hot leg nozzle 1

Surge line or hot leg failure occurred 20-40 minutes before SG tube railure Sensitivities done on T-II modelling did not alter finding on tube integrity i

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I

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SCDAP/RELAP5 SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION i

MODELING AND APPLICATIONS i

PAUL D. BAYLEss, INEL i

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NRC MEETING ON SCDAP/RELAPS CODE MODELING OF NATURAL CIRCULATION I

UNDER SEVERE ACCIDENT CONDITIONS August 19-20, 1996 BURR RIDGE, Il

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DUTLINE BACKGROUND SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION FLOW DESCRIPTION SCDAP/RELAP5 INPUT MODEL DEVELOPMENT j

RELAPS ASSESSMENT WITH WESTINGHOUSE EXPERIMENTS PLANT APPLICATIONS t

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t WHY INVESTIGATE SEVERE ACCIDENT NATURAL CIRCULATION FLOWS?

NUREG-0956 IDENTIFIED NATURAL CIRCULATION AS A SEVERE ACCIDENT ISSUE.

ANALYSES FOR ORIGINAL NUREG-1150 DID NOT CONSIDER NATURAL CIRCULATION.

WESTINGHOUSE WAS PERFORMING NC EXPERIMENTS UNDER EPRI SPONSORSHIP.

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NRC WAS LOOKING AT THE PROBLEM ANALYTICALLY.

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t NATURAL CIRCULATION FLOWS TRANSFER HEAT FROM THE CORE TO OTHER RCS STRUCTURES.

UPPER PLENUM STRUCTURE MELTING i

RCS PIPING FAILURE HPME OR LPME (CONTAINMENT INTEGRITY CONSIDERATION) i r

ACCUMULATOR INJECTION t

SG TUBE FAILURE CONTAINMENT BYPASS i

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Severe Accident Natural Circulation Flows Steam Pressurizer Steam generator q

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NATURAL CIRCULATION FLOW CHARACTERISTICS IN-VESSEL NATURAL CIRCULATION DRIVEN'BY RADIAL POWER GRADIENT IN THE CORE.

l FOLLOWS THE CORE LIQUID LEVEL DOWN ADDITIONAL COLD RETURN PATH (IN CORE BYPASS PLANTS) WHEN LEVEL DROPS BELOW BOTTOM OF CORE FORMER PLATES HOT LEG NATURAL CIRCULATION FLOW CONTROLLED BY MIXING IN THE SG INLET PLENUM.

PORY OPENING INTERRUPTS FLOW, BUT IT IS QUICKLY RE-ESTABLISHED WHEN VALVES CLOSE i

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I

THE STANDARD RELAP5 HEAT TRANSFER PACKAGE IS USED.

t TURBULENT OR LAMINAR FLOW FORCED OR NATURAL CONVECTION CONVECTIVE HEAT TRANSFER Bhi..-wa THE FLUID AND STRUCTURES 1-DIMENSIONAL TREATMENT NO MODELING OF RADIATION OR FLUID-TO-FLUID HEAT TRANSFER b

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I P

RELAP5 SINGLE PHASE HEAT TRANSFER CORRELATIONS FORCED CONVECTION TURBULENT FLOW:

DITTuS-BOELTER LAMINAR FLOW:

SELLARS, Nu = 4.36 i

FREE CONVECTION:

CHURCHILL-CHU (VERTICAL), MCADAMS (HORIZONTAL) f CODE USES THE MAXIMUM OF THE FORCED AND FREE CONVECTION HEAT TRANSFER L

COEFFICIENTS.

CONVECTION.)

(NEARLY ALL OF THE CALCULATIONS WERE IN TURBULENT FORCED t

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SCDAP/RELAPS NODALIZATION DEVELOPMENT

}

THE HOT LEG WAS SPLIT INTO TOP AND BOTTOM HALVES TO MODEL THE COUNTERCURRENT FLOW, SINCE THAT FLOW IS NOT POSSIBLE WITHIN A CONTROL VOLUME OF A 1-DIMENSIONAL CODE.

THE HOT / COLD FLOW STEAM GENERATOR TUBE SPLIT WAS SET TO 35/65%, BASED ON THE LOW PRESSURE EXPERIMENTS.

VARIOUS NODALIZATION SCHEMES WERE TRIED.

l THE NODALIZATION USED PRESERVED THE CHARACTER OF THE FLOW PATTERN WHILE MINIMIZING UNPHYSICAL BEHAVIOR.

THREE RADIAL RINGS WERE USED IN THE CORE AND UPPER PLENUM, CONNECTED BY CROSSFLOW JUNCTIONS.

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Surry 3-Channel Reactor Vessel Nocalization

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e 10 6 NY //4///,yf/7py,///,/ lll LNS7055-9

Cross Section of Three Channel Core Region

,1--.

11----<- /

.,;.............~~~~'

Core barrel

'TZZZa e......... MC i

i....

Core bypass

<~

.....jou,

Core baffle

,m~,.....

,/m&.

Outer channel i

i......

!..U 36 fuel assemblies i,

~j.....

.....i.

relative power = 0.76

'F Middle channel

. - -. ~.

~

,,m -

i.

~~!.

i-~

96 fuel assemblies relative power = 1.05

=

w, :....

Center channel w,..........

........w i

i 26 iueI assemb!ies relative power = 1.17 f

LNB7055-10 1

l i

l

(

l

Hot Leg and Steam Generator Nodalization psH(He for Modeling Hot Leg Countercurrent Flow 408 N 3s 4

1 3

/

(-.

N (I

/.

4 p.....

.....(

3, 3 3 6 3

6 1

g.....

.....g

/,

j 2 3 7 2

7

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I p

?

1 8 8 1

8 Reactor 6

v 7 vesseg

's]

r

{?

f 7

i

'f405 j 406 407I 410 z.. _

z z

s, 455 1

400 T

172 1

j 2

+

402 404 4 12 7&p/m7Aw/ww/>

um/wm 430 j

4 i

3 j

2 i

~

~9 UHZZZUZZf/Zmm77m/mm77 /w/mm//

171 5

P4 31-LN 87031-2 A t

l

.______...____________.__..__.__._______________._._.__._.___.________.._.__._______.__._____.-_.________.._.__________._____________.__________________________________.-___.__._.__._m_-,

i HOT LEG MODEL BENCHMARKING FOR NATURAL CIRCULATION FLOW MODELING EPRI SPONSORED COMIX CALCULATIONS OF THE LOW PRESSURE TESTS, WITH GOOD l

AGREEMENT BETWEEN THE CALCULATED AND MEASURED RESPONSES.

t q

USING THE SAME MODELING APPROACH, TWO LOOPS OF THE SURRY PLANT WERE MODELED WITH COMIX.

j I

AN IDEALIZED BUT REPRESENTATIVE HEATUP TRANSIENT WAS RUN.

THE RELAP5 SURRY MODEL WAS MODIFIED TO MATCH THE CONNIX BOUNDARY i

CONDITIONS.

THE RELAPS MODEL WAS ADJUSTED TO MATCH THE HEAT TRANSFER IN THE HOT LEGS i

i f

AND STEAM GENERATORS FOR A GIVEN HOT VAPOR TEMPERATURE ENTERING THE HOT LEG.

ALTERED THE SG INLET PLENUM VOLUME / FLOW AREA SPLIT, LOSS COEFFICIENTS THROUGH THE FLOW PATH l

DID NOT TRY TO MATCH FLOW RATES OR MIXING FRACTIONS I

WHEN REASONABLE AGREEMENT WAS REACHED, THE HOT LEG / STEAM GENERATOR INPUT MODEL WAS " FROZEN" AND USED IN SCDAP/RELAP5 SEVERE ACCIDENT CALCULATIONS.

i

ASSESSMENT CALCULATIONS WERE PERFORMED USING TWO

~

OF THE WESTINGHOUSE HIGH PRESSURE SF TESTS.

6 i

STEADY STATE TESTS WERE SELECTED BECAUSE THEY HAD THE BEST ENERGY f

BALANCE.

THE SAME MODELING APPROACH USED IN THE PLANT CALCULATIONS WAS USED TO MODEL THE FACILITY.

LOSS COEFFICIENTS FOR HOT LEG NATURAL CIRCULATION WERE ADJUSTED BASED ON THE RESULTS FROM ONE TEST, THEN WERE LEFT UNCHANGED TO MODEL THE SECOND TEST.

i

{

F i

t e

REACTOR VESSEL VAPOR TEMPERATURES FOR TEST S-7.

MEASURED CALCULATED Top of upper plertm %

S i.6 eg.3 1

136.6 133.0 128.0 137.5 135.2 125.3 143.5 129 8 s

_ y5y

........ ~.

- 93_9 e

o-a 116.4 --

108.4 -

134.7 124.0 122.6 141.3 136.2 123.0

114.5 142.4 135.3 123.3 i 128 3. 128.3 HoiIeg 4...........---
63.8

[ 143.1 134.6 117.5 i 64.5. 66.2 143.3: 113.7 ;

112.7 i48.8 : 115.0 :

97.4 17o.4 i 122.7 i ii5.s Top of i63.7 i i25.7 ! 101.2


r------,--------

Core 167.2 : 127.4 : 118.3 4,....... 4,.........

164.3 : 132.5 : 121.0 152.9 *: 133.8 ** 103.9

- - - - - - - - + - - - - - - - + - - - - - - -

164.3 : 139.3. 124.0

'-------+--------4-"-----

.................. 1.........

164.7 j 153.5 j 127.6 141.3 5 134.7 5 110 3

.........s.u..................

162.1.: 166.7 129.5

........su........

. j 151.0 j 133.3 121.5 !, 123.7 i, 111.i t

'4" ' i '*66i '33 6 Bottom

............. 1. 3_.3. Q.........

- - " - " - - " " " ~ " - - - - "

Of Cor e 95.6 t

127.9 Vessel CL

REACTOR VESSEL VAPOR TEMPERATURES FOR TEST S-6.

MEASURED CALCULATED Top or-x7 90 4 t.pper plenurn %

I4E.7 1435 136.9 173.7 165.0 151.0 158.8 la,.a -

63.4 c

115.I e.

123.7 - -~

155.6 148.2 13G.9

-o 3'0c -

167.4 148.8 145.0 157.2 147.I 137.2 137.2. 137 2

~

134.3 H9( lg9 4..............

158.3 146.5 126.0 66 8 67.7 i 70.3

~592 : 120.4 :

119.0 187.2 : 137.0 :

113.6 4........:........

4........:.........

194.3i 1322i 122.8 n

Tcp of 207.3 i 152.9 ! 119.3 4........

yg 190.0 : 128.5 : 126.3 4........

.........:.........z.........

186.6 i 145.3 ! 129.8 204.7 j 165.1 i 123.8 4.........

186.7 i 154.6 i 133.9

..........,s........p........

--..-..-a---

872
175.9 : 138.6 178.5 j 167.3 j 132.1

..........j..................

182.9 : 18G2 : 14 1.0 i

169.4 i.

17 2.5 :

150.3 5 153 6 i iR7

43.5 Bottorn 161.4 ! 163.3 ! 146.4

....g.......

Of Core 146 4

~ ~ ' * * * * - ~ ~ ~ - * - ' ' ~ ~ ~ - ' ' ' - ~ ~ ~

114.5 139.1 Vessel Gm

Y Appendix D Test 57: vessel center channel i

180.0- ::

i et i==i I

ear. m l f:j h

j C

j o eoo l.

o

~

I i7 co 540.0 i

1-5 E

l

{

A i

l E

as:

- 100.0

l jf Tse e som

,j

- sumsmerese Ts, w wow aman

. T i

60.0 -

-0.6

-0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 i

Distance from top of core (m)

Test S7: vessel middle channel

(

180.0 -:

I aT.m

  • e ^"

C d

l D

o o

s

[

1 8

1M0 "l f

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l 5

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>- 100.0 asl

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to w -

["~ h"" # ""'

to w useer penwn - !T t

-0.6

-0.4 0.2 0.0 ~

0.2 0.4 0.6 Distance from top of core (m)

Test 57: vessel outer channel 180.0 -i i

I 4Tamam.I a'ma o

7 140.0 T

l*

l 3

j ^ "A a r l

44Z A.e. A j

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  • 100.0 I

~

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i i

._t=====

- s.-

t

-n-a -.,4 60.0 0.s

-0.4

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Distance from tcp cf core (m)

Companson of experimental and calculated SF vapor tempenture 6

Figure D-11.

plenum for Test S-7.

D-24

.NUREG/CR-6235 h

9 Appendix D Test SS: vessel center enannel 4

250 0 I

e rma at I

ear.ns i I:

?!

6, 200.0 I g.8-T T

f o

3

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!O co l

o s 150.0,-:

Z

=>

o.

5 k!

100.0 bi f

f:.

/-- - -

l

=.

'S 50.0

-0.5 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.5 Cistance tram tcp ct core (m)

Test SS: vessel midd!e channel l

l 250.0

-l l

I

  • * *"s,*j 1

e a r.u,,,,,

6 200.0 i

g 2

C 3

m 1 e I

7 i

"18 ea z B 150.0 n:

  • o

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h I*

T 100.0

.e Topof esse l1 i


namen m ane y,,,,,,,

~0.0 8

0.5 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Cistance from top of core (m)

Test $6: vessel outer channel 250.0

-l l

l

    • "I i

6"M i 6 200.0 e

l 3

g x

,"r i*T B 150.0 A

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e 100.0 l.

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- To er
a F *
  • one 7,,,,,,,,,, a

! i 50.0-0.6

-0.4

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.5 Cis:ance from top of core (m)

Figure D-12. Companson of expenmental and esiculated SF vapor temperatures in the core and upper 6

pienum for Test 5-6.

NUREG/CR 6235 D-25

I FLOW PARAMETERS FOR HOT LEG NATURAL CIRCULATION TEST S-7.

Prediction Percent error Experiment Left Right Left Right Left Right llot leg Flow parameters 110.7 114.9 128.3 128.3 15.9 11.7 Tri. oui ( C) 60.8 60.3 66.2 64.5 8.9 7.0 Tc,;n( C)

T.out. Tc,in ( C) 49.9

-54.6 62.1 63.8 24.4 16.8 3

110.4 108.6 104.3 104.3

- 5.5

- 4.0 ii pi,(kg/rn )

3 140.8 141.0 136.2 137.5

- 3.3

- 2.5 pc (kg/m )

pc _ pai (kg/m )

30.4 32.4 31.9 33.2 4.9 2.5 3

2.95 3.26 3.I6 3.33 7.1 2.I q58 (kW) 0.071 0.072 0.0631-0.0647

- 11.1

- 10.1 m,,i (kg/s),

t m.

HOT LEG NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-6.

t Predictiorr Percent error Experiment llot leg Left Right Left Right Left Right T. oui ( C) 129.7 134.9 137.2 137.2 5.8 1.7 Flow parameters 65.5 63.4 67.7 66.8 3.4 5.4 h

Tc,ic( C)

T,out - Ic.in 64.2 71.5 69.5 70.4 8.3

-1.5 h

3 77.I 75.8 75.5 75.5

-2.1

-0.4

( C) ph(kg/m )

Pc (kg/m )

98.9 99.6 97.6 98.0

- 1.3

- 1.6 3

pc - ph (kg/m )

21.8 23.8 22.1 22.5 1.4

-5.5 3

2.43 2.67 2.49 2.55 2.5

-4.5 qsg (kW) 0.0467 0.0461 0.0446 0.0451

-4.5

-2.2 rii (kg/s),

g t

STEAM GENERATOR. NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-7.

Prediction Percent error Experiment Left Riglit Left Right Left Right Steain generator Flow parameters 2.95 3.26 3.16 3.33 7.I 2.I (15g (kW)

Ntimber of hot tubes 72 NA 72" 728 Number of cold tubes 144 NA 144a g44a i

0.147 NA 0.131 0.132

-10.9 iii, (kg/s) 0.071 0.072 0.0631 0.0647

-11.1

-10.I iii,i (kg/s) b 2.05b 1.0 2.06 NA 2.08 i

in,/rin,,

0.89 NA 0.89b 0.89b 0.0 i

ffi2 69.5 NA 72.9 71.4 4.9 T a ( C) 45.9 NA 44.8 42.3

-2.4 i

Tci (*C) 23.6 NA 28.1 29.1 19.1 T a - Tct ( C) 67.I NA 72.2 70.9 7.6 i

Tm ( C)

Not predicted by code; input to code.

a.

Not predicted by code; stearn generator inlet plenurn loss coefficients and junction areas a b.

ing fractions and flow ratio.

N A = Data was not obtained in the experirnents.

s

STEAM GENERATOR NATURAL CIRCULATION FLOW PARAMETERS FOR TEST S-6.

Experiment Prediction Percent error Steam generator Left Right Left Right Left Right Flow parameters qsg (kW) 2.43 2.67 2.49 2.55 2.5

-4.5 Number of hot tubes 64 NA 72a 728 Number of cold tubes 152 NA 144" 144a iii, (kg/s) 0.0919 NA 0.0907 0.0891

- 1.3 siig (kg/s) 0.0467 0.0461 0.0445 0.0451

-1.7

-2.2 vii,/m W

M 2.@

1.9@

3.6 hi 0.85 NA 0.89b 0.89b 4.7 ff2 i

Thi ( C) 77.5 NA 76.4 75.9

- 1.4 Tci ( C) 44.5 NA 42.8 40.9

-3.8 Thi - Tci ( C) 33.0 NA 33.6 35.0 1.8 T n ( C) 73.2 NA 74.5 74.0 1.8 i

Not predicted by code; input to code.

a.

Not predicted by code; steam generator inlet plenum loss coefficients and junction areas adjusted to obtain mix-b.

ing fiactions and How ratio.

N A = Data was not obtained in the experiments.

m

I THE RELAP5 CALCULATIONS WERE IN REASONABLE l

AGREEMENT WITH THE MEASURED RESPONSE.

1 FLOW PATTERNS WERE THE SAME AS IN THE EXPERIMENT.

l l

TEMPERATURE PROFILES WERE THE SAME AS IN THE EXPERIMENT.

l CALCULATED HOT LEG AND STEAM GENERATOR MASS FLOW RATES WERE WITHIN 11%

l OF THE MEASURED VALUES.

j 1

VAPOR TEMPERATURES IN THE STEAM GENERATOR TUBES WERE WITHIN 5% OF THE MEASURED VALUES.

I VAPOR TEMPERATURES ENTERING THE HOT LEGS WERE OVERPREDICTED BY UP TO i

16%.

HEATING OF THE VAPOR IN DOWNFLOW IN THE CORE WAS OVERPREDICTED.

l 1

HEATING OF THE VAPOR IN UPFLOW IN THE CORE WAS UNDERPREDICTED.

t t

j SURRY STATION BLACKOUT (TMLB' SEQUENCE) l CALCULATIONS f

INITIAL CALCULATIONS WERE PERFORMED TO INVESTIGATE IF EX-VESSEL FAILURES

~

MIGHT OCCUR, WHERE THEY WOULD OCCUR, AND WHEN THEY WOULD OCCUR IN f

RELATION TO THE CORE DAMAGE PROGRESSION I

I s

t i

i s.

l

SCOPING CALCULATIONS PROGRESSIVE ADDITION OF NATURAL CIRCULATION FLOWS RESULTS AS EXPECTED:

MORE NATURAL CIRCULATION LED TO SLOWER CORE HEATUP j

t SURGE LINE FAILURE PREDICTED IN BOTH NATURAL CIRCULATION CASES I

f l

l l

'I l

l i

SENSITIVITY CALCULATIONS i

CODE /MODEL f

KNEW THERE WERE UNCERTAINTIES BECAUSE OF THE LIMITED DATA, l

RESTRAINTS, INABILITY TO BENCHMARK / ASSESS THE CODE AGAINST DATA.

[

CASES CONSIDERED:

- AXIAL POWER PROFILE CORE AND UPPER PLENUM CROSSFLOW RESISTANCE STEAM GENERATOR INLET PLENUM MIXING 1

HOT LEG / SURGE LINE PIPING HEAT LOSS i

HEAT TRANSFER COEFFICIENTS IN THE UPPER PLENUM, HOT LEG, AND STEAM i

GENERATOR TUBES I

l SIMULATED RADIATION HEAT TRANSFER BETWEEN THE HOT LEG FLOW STREAMS I

1

i Base case used best-estimate values l

for the sensitivity parameters.

i Surce

,ine f ai,ure a~: 246 min e

e initial fuel rod relocation at 248 min e

75% of core heat removed by coo ant 4% to hot legs 19% to steam generators LCOOO3??

i

-I

A Steam generator tubes were much cooler than the surge line and hot legs.

1500 creep O

1101 leg rupture

<D 5

O Surge line

' " I'""

a steam generator tubes m

1250 ba E*

~

i 1000 M

E r-A 750 w

m s

8 8

i i

d 500 160 180 200 220 240 260 Time After Initiation (min)

I rcooo4e I

Piping heat loss effects were primarily local.

Convection anc 1

Convection rac.iation 7 min 13 min Surge ine aiLure de,ay Fue rocL re ocation delay 2 min 4 min 75 %

76 %

Core heat removal 5%

5%

To hot ecs To steam generators 18 %

17 %

To containment 3%

4%

10000380 1

i 1

SIGNIFICANT REDUCTIONS IN THE STEAM GENERATOR l

1 INLET PLENUM MIXING HAD A SMALL IMPACT ON THE CALCULATED RESULTS.

MIXING FRACTION OF 0.7 IN THE PRESSURIZER LOOP, 0.3 IN THE OTHER TWO LOOPS I

SURGE LINE FAILURE AT 255 MIN l

l INITIAL FUEL ROD RELOCATION AT 254 MIN i

HOT LEG FLOW INCREASED 25% COMPARED TO BASE CASE 77% OF CORE HEAT REMOVED BY COOLANT i

3% TO HOT LEGS l

24% TO STEAM GENERATORS i

t

[

t r

i CONCLUSIONS FROM THE SENSITIVITY CALCULATIONS e

l IN ALL OF THE CASES, EX-VESSEL PIPING FAILURES WERE PREDICTED TO OCCUR ABOUT THE TIME OF INITIAL FUEL ROD RELOCATION WITHIN THE CORE.

THE ONLY CALCULATIONS THAT HAD A NOTICEABLE DIFFERENCE FROM THE BASE i

CALCULATION WERE THE INLET PLENUM MIXING SENSITIVITIES.

SIGNIFICANTLY REDUCING THE MIXING FRACTION (TO 0.7 IN THE PRESSURIZER LOOP AND 0.3 IN THE OTHER TWO LOOPS, FROM 0.87 IN THE BASE CASE) BROUGHT THE STEAM GENERATOR TUBE TEMPERATURES HIGHER, BUT THE SURGE LINE STILL WHEN THE MAXIMUM SG TUBE TEMPERATURE WAS ABOUT 360 K LOWER FAILED FIRST, THAN THE SURGE LINE TEMPERATURE; IT WAS ABOUT 410 K LOWER THAN THE SURGE t

3 LINE TEMPERATURE IN THE BASE CASE.

i h

i

Armcass, 4 WESTINGHOUSE 1/7TH SCALE EXPERIMENTS R. E. Henry and M. Epstein Presented for EPRI to NRC Review Group on Natural Circulation August 19, 1996

1 Approach to Scaling NRC Severe Accident Scaling Methodology (SASM)

Need to have an experiment which has all the physical processes even if the scaling is -

not perfect. This greatly aids the formation of Process Identification and Ranking Tables (PIRT). The W/EPRI experiments have all the dominant processes.

Two types of considerations:

Top Down Scaling, Bottom-Up Scaling.

Both of these approaches are used to evaluate the W/EPRI experiments and to apply the understanding to the reactor system.

i\\H VGilot195 A

i MAAP 4/3B HLNC l

r-i 4

i Steam Generator Wa s

(Total Flow)

N i

i t

i

~

/

"Out" Tube y

4 "Back" Tube 1

1 1

4 SeC s

Inlet Outlet j

Plenum '

co

' Plenum l

{

Tg Tc j'

)

T Wgt UP

[

_ ~ - ~

l, Wst

( Hot Leg -

1 i

1 I

i AHS25005 CDR 0105-94

),

1 i

1 i

)

Figure 1 Hot leg and steam generator natural circulation flow model.

I i

J DATE: 05/01/94 j

VOLUME II REVISION: 0.0 4 i

k Top Down Scaling Mixing in the SG Inlet Plenum i

Necessary Conditions To establish the appropriate mixing behavior in the inlet plenum, it is necessary to have the same geometry even though it may be in a scaled down system.

The EPRI/W experiments represent the RPV, hot leg, surge line and SG geometry.

i The ratio of the flow through the steam generator tubes to the hot leg circulation flow should be preserved in the experiment.

I M *G\\l0lt93.A

1

)

Natural Convection Flow In the Hot Legs i

Countercurrent natural circulation flow through the hot leg

.l WHL

- PUP P UP L

H l ' HVG'.10l t 95 A

Flow Through the SG Tubes The turbulent momentum equation for flow through the tubes is given by L

W*2 AP=Apgha=f 2

D 2pA e

1 g s a reference height.

i where h Solving for the flow through the tubes results in

'1/2 2,2D e

n(c -

n) 8 h-W=N D

a e

1 4

.fL I W VGilol195.A

Ratioing the two flow rates results in i

)

l

~

' /

f W,

pn (pc - pH)

D, '2 2 D, li r

g fLD

. UP H ~ PUP,

(

FCj (DHLj ut, W

P HL The density ratio term is of order unity.

The ratio of this flow should be preserved between the reactor system and the model, i.e.

the left hand margin can be assumed to be a constant.

Therefore:

D" 3 D, h ' M f

fD 32

'2 D li g

i i

g t

N,

=N (DHL>so HL.so (Dutj,jLDut[m 4

fLD SG - Steam Generator m - experimental model 1 Sci 101195.A

-......n.a

..w-.

.-...u.

-a a-.

s-e-

.s

.e-..

a It is further assumed that 1) the ratio of the effective height driving the natural circulation and the length of the tube is approximately the same in the scaled experiment.al model, and the steam generator, I

2) the frictional coefficient is similar for the two systems, which implies a similar Reynolds number in the steam generator tubes. Finally we arrive at the expression

- D,

2.5 D

HL SG N

1 N

=

sc D,

,5 m

r HL.m I'HYGil01195.A

Comparison 4

i

=

j Steam Generator N g = 3260 3

Tube inside diameter = 0.775 in.

i i

Diameter of the hot leg = 36 in.

2 Experimental Model I

Experimental model tube ID = 0.305 in.

4 Hot leg diameter = 5.14 in.

i N

= 258 (216 used m the model).

l m

Hence, it is reasonable to assume that the mixing behavior observed in the Westinghouse

~

experiments is representative of that which would be experienced in the reactor system.

l ' HVG'.101195. A

i 2

Bottom-Up Scaling 4

Major Elements of Plenum Mixing i

.+

1.

Hot fluid rising through a scaled steam l

generator inlet plenum geometry.

l Experiments have this.

j 2.

Entrainment of surrounding fluid with the i

appropriate (scaled) rise height.

Experiments have this.

l 3.

Spreading " ceiling plume" if the hot tube outflow cannot transmit the entire plume.

1 l

Experiments have this.

l:

4.

Mixing of returning cold tube flow and the j

excess flow of the " ceiling plume".

j' Experiments have this.

i I

t i

l

}

I ' HVC1101195. A

'-H en s

g_

4, T

b bubastEusujuj j g g,g v

1P 1r 1r ht pO u,T QW R

i TC Z

h T

R h

O ME95o051.CDR 9 6-95

I

-map a

=

.a lt,

~T l

    1. 54-%

l

}.

.i i

i i

li i

i

'l J.

l

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l I

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l i

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l 5%

K N

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Q

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- O e-se'.e *-

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Iemperatures (*C) of SF in Steam Generator Channel Itcad and flot Leg. Iocations Shown Isometrically i

6 from Central Plane. Steady Cooling by Water on Secondary Side. Test SG-53.

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Isotherms in a Vertical fh Plane Through the Hot leg Center Line.

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" Top Hat" Model Comparison Willi Westingliouse SF Test Data 6

Test Variable Units SG-S1 SG-S2 SG-S3 SG-S4 SG-T1 SG-T2 SG-T3 SG-T4 l

6768 6700 3582 3362 Time sec Power kw 22 22 30 30 22 22 30 30 Pressure har 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6" T,

C 123.7 114.8 159.3 143.2 248.7 253.4 250.0 240.5 i

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i Model Comparison With l

Westinghouse Water Test Data 1

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38.0 26.2 h

T

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T 32.9 23.5 ht (T

) max, data 32.9 23.5 ht T

ht model E,= 0.1 o

T 32.5 22.8 ht model E

,= 0.116 o

T ht model E,= 0.12 o

T 32.9 23.2 ht Gaussian E

,= 0.085 n

l l

! 9fVC' TABLE C

e Gaussian Plume Model 2

r u=u exp m

R,

=

~

~

T-T, r 2

= exp 2

12 R_

T

- T, m

-u

- centerline velocity.

m T

- centerline temperature.

ni Entrainment coefficient = 0.082 for Gaussian distribution.

Boundary Conditions R(o) = R'o, u (o) = u, T (o) = T',

m o

m Where 1 + A2-T', = T

+ (T -T) o R'o = y/f Ro l

! H v G\\t01195 A

" Gaussian" Model Comparison With Westinghouse SF Test Data 6

Test Variable Units SG-Si SG-S2 SG-S3 SG-S4 SG-T1 SG-T2 SG-T3 SG-T4 Tiine sec 6768 6700 3582 3362 l'ower kw 22 22 30 30 22 22 30 30 -

l'ressure bar 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6 20.7 27.6 T,,

C 123.7 114.8 159.3 143.2 248.7 253.4 250.0 240.5

'I'c C

70.3 72.1 86.8 86.2 142.4 171.7 126.4 146 T,,

C 79.7 80.2 100.8 98.4 165.8 185.8 153.4 159.2 i

(l'i,,)iiiiis,d,,.,

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C 89.5 88.0 112.0 106.4 176.5 199 i

E,, = 0.085 t

tiivut i a til i

PLUNE VERSUS STEAM GENERATDR FLOW RATES Plume Flow' Floiv in Steam Just Below Tube Generator, Test Sheet, kg s-1 kg s-1 SG-S1 0.250 0.114

~

SG-S2 0.345 0.146 SG-S3 0.243 0.120 SG-S4 0.330 0.137 SG-T1 0.208 0.036 SG-T2 0.239 0.083 SG-T3 0.220 0.101 SG-T4 0.283 0.136 H 0-20 0.289 0.024 i

2 Calculated with axisymmetric Gaussian plume model.

! ' HVC\\ TABLE b

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4 i

l l

Mixing of Excess Plume j

Flow and Returning =

l Tube Flow

- T ) = n1, gc - T )

- NIht)

(b ht Plume c

3 ct L

I

.Hi ht R=

b

-b Plume ht i

T

+RT ht ct T' _

1+R

! \\HVC'.101195. A

Comparison of Measured and Calculated Plenuin Mixing Temperatures T

T c

c Test R

T T

(expt.)

(plume inodel) iit ct SG-SI 0.838 83.0 55.4 70.3 70.4 1

SG-S2 0.734 83.0 57.3 72.1 72.1 SG-S3 0.976 103.0 64.7 86.8 84.1 SG-S4 0.71 100.0 65.2 86.2 85.5 SG-Tl 0.209 164.5 115.8 142.4 156.1 SG-T2 0.532 190 152.0 171.7 176.8 SG-T3 0.849 151.5 103.3 126.4 129.4 SG-T4 0.925 166.0 120.9 146.0 144.3 II 0-20 0.0906 32.9 10.1 30.6 30.0 2

t I slit t al Al41 t.

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y SCDAP/RELAP5 SGTR Analyses i

Idah D.L.Knudson National t

Engineering L a b ora tory

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SCDAP/RELAPS Natural Circulation Model Review 3l Burr Ridge, Illinois j!

August 19-20,1996

{

4 G,

i i

l Presentation Overview SCDAP/RELAP5 calculation oajectives SCDAP/RELAP5 Surry loop calculations Surry loop results SCDAP/RELAPS Surry plant calculations Surry plant results l

Conclusions i

1 SCDAP/RELAPS Calculation Objectives Evaluate variations in hot leg countercurrent natural circulation with respect to SG tube temperatures using a Surry (stand-alone) loop model Evaluate the potential for natural circulation-induced RCS pressure boundary failures, including SGTRs, using a Surry (full) plant model i

l i

SCDAP/RELAP5 Surry Loop Calculations Based on a stand-alone model of the Surry primary coolant loop containing the pressurizer j

Boundary conditions to drive the loop model were extracted from Surry plant results for a TMLB' transient without i

recovery; without operator action; without oxidation; and with modeling provisions to allow development of in-vessel, l

full loop, and hot leg countercurrent natural circulation All loop calculations initiated at the onset of countercurrent flow (9200 s) and extended ~5000 s (corresponding with surge line failure in the plant calculation) with variations in l

hot leg countercurrent natural circulation conditions

l

~

SCDAP/RELAPS Surry Loop Calculations Variations considered

-num 3er of tubes participating in forward (hot) flow (measured between 29 and 61% of the SG tube bundle)

-mixing fraction (measured between 0.76 and 0.89)

-recirculation ratio (measured between 1.69 and 2.39)

Separate loop calculations were included so that SG tube temperatures could be evaluated over the measured range i

All loop calculations were completed with variation of only one parameter at a time (all other paro oeters were he d l

constant at " average" conditions) i

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Surry Loop Results 900.0 i

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A A 35% hot tubes (Base) e y

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800.0 A---A 61% hot tubes E

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5 700.0 3

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Surry Loop Results

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i SCDAP/RELAP5 Surry Plant Calculations i

TMLB' transient in all calculations

-wit 7out recovery and without operator action i

-with creep rupture monitoring of the surge line, hot legs, and SG tubes

-with modeling provisions to allow development of in-vessel, full loop, and hot leg countercurrent natural circulation 1

i Benchmarked with

~9% of core energy deposited in structures in each loop

-35% of SG tube bundle available for forward (hot) flow l

-mixing fractions at ~0.87 7

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53% hot tubes /47% cold tubes nodalization Depressurization of all SG secondaries via failed ADVs x

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Conclusions l

l Maximum SG tube temperatures increase with

-a decrease in the number of tubes participating in forvvard (hot) flow

-a decrease in the mixing fraction

-an increase in the recirculation ratio t

SCDAP/RELAP5 results are consistent with the expected SG tube temperature effects for variations in hot leg countercurrent natural circulation Variations in hot leg countercurrent natural circulation (within the experimental range) have a negligible impact on l

SG tube temperatures

i i

i Conclusions Pre.ssurizer surge line creep rupture was the first RCS i

l pressure boundary failure in all Surry plant calculations l

considered The pressurizer surge line failed in the early phase of core I

damage (before the onset of fuel melting) in all Surry plant j

calculations considered If pressurizer surge line and hot leg failures are ignored AND l

a SG secondary ADV fails open, SGTR could occur ~15 to 20 min after the first RCS pressu.re boundary failure i

l

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USE OF SEVERE ACCIDENT THERMAL-HYDRAULIC ANALYSIS RESULTS lN RISK ESTIMATE FROM 1

STEAM GENERATOR TUBE FAILURE i

AUGUST 20,1996 t

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Joseph Donoghue, NRC Telephone: (301) 415-1131 l

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BACKGROUND

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SGTR risk contributions from spontaneous and induced tube failures

- Spontaneous failures often due to unknown mechanisms

- Induced Failures:

Mechanical - Circumferential Crack failures Pressure - ATWS, Secondary Depressurization Thermal - Severe Accident Previous studies concluded that thermally induced tube failure not a significant concern during severe accidents (e.g, NUREG 1150, DCH studies)

- Same conclusions reached for degraded and pristine tubes t

(NUREG/CR-4551, " Evaluation of Severe Accident Risks: Qdantification of Major input Parameters," December 1990) 1 4

SEVERE ACCIDENT TUBE CHALLENGE Event tree developed to include thermally induced SGTR resulting from o

core damage events i

e Considerations:

Events leading to high tube temperature Events resulting in high or intermediate RCS pressure and dry SGs Frequency range of E-5 for thermal challenge from NUREG 1150 analysis e

for Surry and comparisons with available information in IPE Database Starting an order of magnitude from surrogate safety goal Applicability to other designs considered:

f e

No PORVs in some CE plants Potential for RCP seal LOCAs, loop seal clearing Differences in severe accident progression l

1 SEVERE ACCIDENT TUBE CHALLENGE Thermal-Hydraulic Analyses:

Use representative plants to analyze most likely thermal challenge

[

scenario Surry Base Case: SBO, loss of AFW, One SG depressurized e

Arkansas Nuclear One, Unit 2

- CE design without PORVs e

Other cases:

i

- RCP seal LOCA

- Primary-to-secondary leakage

- PORV fails open

- All SGs depressurized r

i b

l TUBE FAILURE PROBABILITY l

Calculate probability of SG tube failure PRIOR TO surge line or hot leg o

for any given crack size. Result is conditional tube failure probability o

Steps:

- SCDAP/RELAP5 analysis provides temperature and pressure histories

- Calculate creep failure times for each component

- include material uncertainties

- Include effects of tube flaws i

- Include thermal-hydraulic uncertainties:

l

- Relative time to failure

- Conditions leading to tube failure

- Other factors:

Tube dimension uncertainties, Crack paranleter variability

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Surry Case 3R 1.0

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CONTAINMENT BYPASS PROBABILITY e

Apply conditional failure probabilities for each crack size to flaw distribution covering range of crack sizes Flaw distributions generated for three plant categories:

Good, Average, Poor Preliminary results for " Average" plant:

- Assuming nominal tube temperatures, Tube failure probability about 6%, Bypass < E-6

- Assuming higher tube temperatures, Tube failure probability about 20%, Bypass = E-6

" Poor" plant distribution being revised, but initial result yielded e

Tube failure probability of 100%, Bypass = E-5

RISK ESTIMATE KEY ISSUES Event Tree Quantification:

- Event frequency in E-5 range is consistent with range in IPE survey Thermal-Hydraulic Modeling:

- Creep failure prediction dependent on understanding temperature and pressure time histories Representative Flaw Distribution:

- Effort ongoing to revise poor plant distribution

- Also working to understand uncertainties Tube Performance Model:

- Based on high temperature tube tests

- Includes material uncertainties

- Workin'g to understand flaw characterization uncertainties RCPB Weak Points: Only qualitative treatment for potential of other component failures (other than hot leg, surge line, tubes) 6

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SG SEVERE ACCIDENT RISK ESTIMATE EVENT TREE KEY ASSOCIATED T-H

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ANALYSIS

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