Sicherheit der Nasslager für abgebrannte Brennelemente: Experimentelle Analyse, Modellbildung und Validierung für System- und CFD-Codes (SINABEL)
Teilprojekt:
Ortsaufgelöste Temperatur- und Gasphasengeschwindigkeitsmessung zur Analyse der Strömungszustände in ausdampfenden Brennelementen
Hintergrund:
Seit dem Reaktorunfall von Fukushima hat das Nasslagerbecken in der nuklearen Sicherheitsforschung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das Nasslagerbecken dient als Zwischenlager für abgebrannte Brennelemente sowie für Brennelemente während laufender Arbeiten im Reaktordruckbehälter. Im Falle eines länger anhaltenden Stromausfalls oder einer Leckage in der Beckenstruktur kann die Abfuhr der Nachzerfallswärme möglicherweise nicht ununterbrochen gewährleistet werden, was zu einem Ausdampfen des Beckens sowie einer Erhitzung der Brennstäbe bis hin zu kritischen Temperaturen führen kann.
Im Rahmen des Verbundprojekts SINABEL werden die thermohydraulischen Prozesse während des Ausdampfvorgangs von Wasser im Lagerbecken experimentell untersucht sowie modelliert. Dabei soll ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Wärmetransportmechanismen und Einzeleffekte erlangt werden. Weiterhin sollen die Ergebnisse zur Abschätzung des zeitlichen Verlaufs von Wasserfüllstand und der Staboberflächentemperaturen infolge eines Störfalls dienen. Dazu wird ein Brennelement eines Siedewasser-Reaktors in den Originaldimensionen durch ein Bündel elektrisch beheizter Stäbe nachgebildet. Zur Generierung experimenteller Daten kann zum Teil kommerziell verfügbare Messtechnik eingesetzt werden. Unter den gegebenen Randbedingungen hoher Temperaturen sowie eingeschränkter optischer und mechanischer Zugänglichkeit und der Anforderung an örtlicher Auflösung ist für die Messung der Gasphasengeschwindigkeiten in den Unterkanälen keine adäquate Instrumentierung verfügbar.
Zielstellung:
Das Ziel des Teilprojektes ist die Entwicklung eines Messsystems zur Untersuchung der Gasgeschwindigkeiten und -temperaturen in den Unterkanälen des Modellbrennelements während des Ausdampfvorgangs. Unter Berücksichtigung der geometrischen Randbedingungen, der Anforderung an örtliche Auflösung sowie der zu erwartenden Strömungsparameter wurden zunächst anwendbare Messverfahren selektiert, auf deren Einsatzmöglichkeit unter den gegebenen Randbedingungen hin beurteilt und das Erfolgsversprechendste technologisch implementiert.
Methoden und Ergebnisse:
Die Grundlage der umgesetzten Lösung bilden Sensoren mit einem temperaturabhängigen Widerstand. Durch Variation der angelegten Spannung können sowohl die Temperatur als auch die Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums bestimmt werden. Die angewandten Methoden sind dabei Widerstandsthermometer für die Temperaturmessung und thermische Anemometrie zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit. Um den Anforderungen der Ortsauflösung gerecht zu werden, wird eine matrixförmige Anordnung solcher Einzelsensoren in einem Drahtnetz verschaltet. Das Drahtnetz besteht aus Anregungs- und Empfängerelektroden zur elektrischen Kontaktierung. Durch ein spezielles Anregungsschema können die Einzelsensoren in sequentieller Abfolge abgetastet werden.
Die Kalibrierung von Strömungssonden erfolgt üblicherweise in einer eingestellten Strömung mit definierter Strömungsgeschwindigkeit. Sind während des Messvorgangs Temperaturschwankungen zu erwarten, können Kalibrierkurven auf verschiedenen Temperaturniveaus erstellt werden. Probleme bei der Kalibrierung des entwickelten Messsystems mit diesen konventionellen Methoden ergeben sich aus dem zu erwartenden Temperaturbereich zwischen 100 °C und 500 °C und der Einstellung einer definierten Heißdampfströmung. Dazu wurde eine Methode entwickelt, welche den Kalibrieraufwand durch eine rechnerische Korrektur auf die Erstellung einer Kalibrierkurve mit Luft unter Laborbedingungen reduziert.
Publikationen:
M. Arlit, E. Schleicher, U. Hampel
Evaluation of measurement techniques for gas flow characterization in the subchannels of a rod bundle during dry-out
CD-Proceedings. 46th Annual Meeting on Nuclear Technology, Berlin, 05.05.-07.05.15
M. Arlit, C. Partmann, E. Schleicher, U. Hampel
Spatially resolved measurement of gas phase temperature and velocity in the subchannels of a fuel element during dry-out
CD-Proceedings. NURETH-16, Chicago / USA, 30.08.-04.09.15
M. Arlit, E. Schleicher, U. Hampel
Thermal anemometry grid sensor for flow velocity measurement in the subchannels of a fuel element mock-up during dry-out
CD-Proceedings. 47th AMNT, Hamburg, 10.-12.05.2016
M. Arlit, C. Partmann, E. Schleicher, C. Schuster, A. Hurtado, U. Hampel
Instrumentation for experiments on a fuel element mock-up for the study of thermal hydraulics for loss of cooling or coolant scenarios in spent fuel pools
CD-Proceedings. SWINTH, Livorno / Italien, 15.-17.06.2016