Modellierung des Stoff- und Wärmetransports im Dampferzeuger eines Druckwasserreaktors unter Störfallbedingungen sowie Validierung basierend auf Experimentaldaten
Hintergrund:
Während des Niedrigleistungs- und Abschaltbetriebs wird die Nachzerfallswärme in einem Druckwasserreaktor (DWR) durch das Restwärmeabfuhrsystem (RHRS) abgeführt. Als Teil der Reaktorsicherheitsbewertung ist es notwendig, ein breites Spektrum von Störfällen einschließlich des Verlustes des RHRS zu berücksichtigen. Der Beitrag zur Reaktorkernschadenshäufigkeit eines solchen Unfalls ist beträchtlich und eine gründliche Bewertung ist erforderlich. Bis heute werden Kernkraftwerke aufgrund ihrer Größe und geometrischen Komplexität mit speziellen System-Thermohydraulik-Codes (SYS-TH) wie ATHLET, RELAP, MARS und anderen bewertet. Obwohl SYS-TH-Codes seit mehreren Jahrzehnten entwickelt werden, haben sie immer noch Schwierigkeiten, die bei Mehrphasenströmungen auftretenden Phänomene genau zu simulieren. Dies ist besonders ausgeprägt während des Mid-Loop-Betriebs, wo zusätzliche Komplexität aufgrund der Anwesenheit von nicht kondensierbarem Gas hinzukommt.
Zielstellung:
Das Projekt zielt auf die Entwicklung zuverlässiger thermohydraulischer Modelle für den Primärkreis eines DWR bei Verlust von RHRS-Störfallbedingungen im Mid-Loop-Betrieb. Der Schwerpunkt liegt auf der genauen Modellierung des Kondensationsprozesses in einem Dampferzeuger. Dort treten komplexe thermohydraulische Zustände auf, wie z. B. Zweiphasenströmung, Umkehrströmungen, Gegenstrombegrenzung, Overspilling, Fill-and-Down, Wasserverschleppung und möglicherweise Inertgase.
Methoden und Ergebnisse:
Für die numerische Berechnung verwenden wir den Best-Estimate-System-Thermo-Hydraulik-Code ATHLET und validieren die Modelle durch einen Vergleich mit den experimentellen Daten. Einige interessante Phänomene werden mit CFD-Simulationen detaillierter bewertet.
Ein Teilziel des Projekts war es, ein tieferes Verständnis für die Wärmeübertragungsphänomene in Dampferzeugern unter instationären Bedingungen zu erlangen. Mehrere Aktivitäten trugen zur Erfüllung dieses Ziels bei, wie z. B. die umfassende Analyse von zugänglicher Literatur und internen Berichten, die Analyse von Experimenten und die Durchführung einer Reihe von Simulationen, die detaillierte Informationen zu den auftretenden Phänomenen liefern.
Die Entwicklung eines kombinierten Wärmeübertragungsmodells und dessen Implementierung in ein bestehendes Modell des assoziierten Partners mit dem Modelica-Systemcode wurde während der Arbeit am Standort des Partners FRAMATOME durchgeführt. Ein neues Modell eines Dampferzeugers wurde erstellt und getestet, und es wurde festgestellt, dass Modelica aktuell durch Defizite in der zweiphasigen numerischen Berechnung nicht geeignet ist, die Anforderungen an die Modellierung und Simulation zu erfüllen. Daher wurde eine weitere Modellentwicklung mit dem thermohydraulischen Code des ATHLET-Systems durchgeführt. Es wurde ein vollständiges Modell der PKL mit einer 3/4-Kreislaufkonfiguration erstellt und eine Modellvalidierung für den Verlust des Nachwärmeabfuhrsystems in der Mitte des Kreislaufs durchgeführt.
Publikationen:
E. Smigelskis
Post-test thermal-hydraulic analysis of PKL III I3.1 Experiment on loss of RHRS during mid-loop operation with Athlet
FISA2022 & EURADWASTE’22, 30.05.-03.06.2022, Lyon, France