Master's Thesis

CFD Analysis of the Stratification Process in a Horizontal Steam Generator of a VVER reactor unit of Nuclear Power Plant

Final Thesis 5.7 MB

Author of thesis: Ing. Kateřina Koudelková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jakub Elcner, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Jan Frélich

Abstract:

This thesis is focused on a CFD analysis of thermohydraulic processes in a horizontal steam generator of a nuclear power plant equipped with a VVER-440/213 reactor, with a specific focus on the phenomenon of temperature stratification during an SGTR (steam generator tube rupture) accident. The objective of this thesis is to simulate the behavior of the secondary coolant in the affected steam generator during the application of emergency procedure E-3, when heat flux reversal occurs and subsequent temperature stratification forms, which plays an important role in maintaining the pressure difference between the affected and unaffected steam generators.
ANSYS Fluent software was used for the simulation, with boundary conditions derived from the RELAP5 system code (RELEDU-4.3 model). The work includes a parametric study of the effect of water level height on the intensity of stratification and the efficiency of steam condensation at the water surface.
The simulation results confirm the formation of a stable stratified water layer above the tube bundle, which effectively isolates the heat exchange bundle from the steam space. The analysis revealed the nonlinear nature of steam condensation, and it was found that raising the water level above 600 mm yields only minimal benefits in terms of heat removal and condensation.

Keywords:

VVER-440, steam generator, CFD, ANSYS Fluent, SGTR, temperature stratification, porous medium, Dual Cell Heat Exchanger

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka seznámila zkušební komisi s výsledky své diplomové práce. Oponent práce doktor Elcner přečetl posudek vedoucího práce. Posudek oponenta přečetl předseda komise prof. Katovský. Následovaly odpovědi na dotazy oponenta, tyto byly správně vypořádány. Doplňující otázky položili doc. Baláš, doktor Kracík, doc. Zácha a doktor Radil. Studentka odpověděla na všechny předložené dotazy s občasnou mírnou pomocí tazatelů.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Nuclear Power Engineering (MPC-JAE)

Composition of Committee

prof. Ing. Karel Katovský, Ph.D. (předseda)
Ing. Štěpán Foral, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Lukáš Radil, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Kracík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Zácha, Ph.D. (člen)
Ing. Ota Fišera, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jakub Elcner, Ph.D.

Práce paní Bc. Kateřiny Koudelkové byla zaměřena na termohydraulickou analýzu chování parního generátoru jaderného reaktoru za specifických provozních podmínek. K tomuto účelu byly použity metody tzv. výpočetní mechaniky kontinua (CFD). V rámci řešení bylo nutné provést všechny úkony související s řádným postupem této metody. Nejdříve byla provedena literární rešerše za účelem získání přehledu o běžně používaných modelech u dané problematiky a definovány okrajové podmínky související s požadavky zadání. Další postup spočíval v úpravě dostupné geometrie řešené domény tak, aby odpovídala požadavkům pro tvorbu výpočetní sítě. Hlavní objem práce pak probíhal v komerčním programu Ansys Fluent a spočíval v tvorbě několika variant výpočetní sítě, řádném nastavení fyzikálních modelů a analýze vpočtených hodnot. To vše s ohledem na složitost problému výrazně ovládaném přirozenou konvekcí a při omezeném množství podkladů týkajících se některých implementovaných modelů.
Studentka přistupovala k řešení diplomové práce velmi zodpovědně a iniciativně. Po celou dobu řešení dodržovala nastavený harmonogram prací a účastnila se pravidelných konzultací. Závěrem každé konzultace bylo zhodnocení dosavadního postupu a vytyčení cílů do dalšího setkaní. Tyto cíle pak byly bez výrazného prodlení plněny. Na pochopení a odstraňování všech komplikací, souvisejících s řešením se aktivně podílela. Během plnění cílů diplomové práce bylo z její strany nutné seznámit se s prostředím programu Ansys Fluent se kterým měla omezené dřívější zkušenosti pouze z pohledu preprocessingu. V rámci řešení však tento program plně ovládla na úroveň, která jí umožnila provést požadovanou analýzu. Z hlediska prezentace výsledků diplomové práce pak k mému posouzení dodávala texty, ke kterým jsem neměl výraznějších výhrad. S prací studentky jsem byl proto velice spokojen a hodnotím ji maximálním možným počtem 100 bodů.
Vyjádření vedoucího z firmy:
Jako konzultant diplomové práce mohu konstatovat, že studentka přistupovala k řešení zadaného tématu velmi samostatně, systematicky a se značným zájmem o řešenou problematiku. V průběhu práce úspěšně zvládla vytvoření CFD modelu horizontálního parogenerátoru, návrh výpočetních variant i následnou analýzu získaných výsledků. Oceňuji zejména pečlivé vyhodnocení energetické bilance, kritické posouzení nejistot použitých modelových zjednodušení a schopnost formulovat technicky podložené závěry. Práce přinesla nové poznatky o procesu stratifikace v horizontálním parogenerátoru a jejich významu pro odvod tepla při havarijních stavech. Výsledky mají praktický přínos pro další rozvoj a validaci výpočetních modelů používaných v bezpečnostních analýzách jaderných elektráren. Diplomovou práci proto hodnotím jako velmi kvalitní a považuji ji za plně odpovídající požadavkům kladeným na diplomovou práci v oboru jaderné energetiky. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Jan Frélich

viz. příloha Points proposed by reviewer: 94

Grade proposed by reviewer: A

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 136,20 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová