PANAS

Verbundprojekt: „Untersuchungen zu passiven Nachzerfallswärme-Abfuhrsystemen: Experimentelle Analyse, Modellbildung und Validierung für System- und CFD-Codes“ im Rahmen des Förderkonzeptes „Grundlagenforschung Energie 2020+“ (Förder-Kennzeichen: 02NUK041)

Verbundprojektkoordination:

Technische Universität Dresden - Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)

Teilprojekte:     

• Technische Universität Dresden – Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
  Einzel- und Integralexperimente sowie theoretische Analysen zu Verdampfung, Kondensation und Zweiphasen-Naturumlaufstabilitäten in einem passiven Wärmetransportsystem
• Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf – Institut für Fluiddynamik (HZDR)
  Untersuchungen zu Kondensationsprozessen im Notkondensator und numerische Simulation einer passiven Wärmeabfuhrkette

• Technische Hochschule Deggendorf, Professur für Technische Thermodynamik und Energiesysteme (THD)
  Statische und Dynamische Modellierung der thermischen Kopplung und Fluidphasen und Wärmeübertragerstrukturen

Unterauftragnehmer:

• Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) GmbH
  Entwicklung und Validierung von Kondensations- und Verdampfungsmodellen für den Systemcode ATHLET

Assoziierte Partner:

PreussenElektra, Framatome GmbH

Laufzeit:

07/2015 - 12/2020

Finanzierung:

BMBF   

Förderkennzeichen:  

02NUK041              

Kurzbeschreibung

Für die sichere Abfuhr der Nachzerfallswärme aus dem Reaktordruckbehälter sowie dem Sicherheitsbehälter während eines postulierten Störfalles sind passive Systeme besonders geeignet, da sie für ihre Aktivierung und den Betrieb keine externe Energiezufuhr benötigen. Sie liefern deshalb wichtige Beiträge zur inhärenten Sicherheit der Anlagen. Durch die bei passiven Wärmeabfuhrsystemen auftretenden Kondensations- und Verdampfungsvorgänge sind, anders als bei Wärmeüberträgersystemen ohne Phasenübergänge, thermohydraulische Besonderheiten der Energieübertragung und Stabilität zu berücksichtigen. Diese sollen im Rahmen dieses Verbundprojektes mit experimentellen und theoretischen Methoden untersucht werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung von System- und CFD-Codes mit aus Integral- und Einzelexperimenten gewonnenen Daten.

Passive Systeme zur Nachzerfallswärmeabfuhr bestehen von der Wärmequelle bis zur ultimativen Wärmesenke in der Regel aus durch verschiedene Wärmeübertrager verbundenen offenen oder geschlossenen Kreisläufen mit verschiedenen Druckstufen und Temperaturniveaus. Hohe Wärmeübertragungsraten erreicht man durch Kondensation und Verdampfung des jeweiligen Wärmeträgers, womit Zweiphasenströmungen in den Kreisläufen auftreten. Exemplarisch lässt sich dies am innovativen Konzept der Wärmeabfuhr aus dem Reaktordruckbehälter des Siedewasserreaktors KERENA (siehe Abb. 1) darstellen. Bei einem Störfall mit sinkendem Reaktorfüllstand kondensiert im Reaktorkern erzeugter Wasserdampf in leicht geneigten Rohren eines Notkondensators, wodurch Energie vom Reaktorkühlkreislauf an die Wasservorlage im Flutbecken übertragen wird. In Abhängigkeit von den Temperaturen und Drücken im Reaktor und in der Wasservorlage stellen sich auf der Innen- und Außenseite der Notkondensatorrohre verschiedene Strömungsformen und Wärmeübergangsregime ein. Beginnt mit zunehmendem Energieeintrag das Wasser in der Wasservorlage zu verdampfen, so werden große Teile des entstehenden Dampfes an der Außenseite von ebenfalls leicht geneigten Rohren des Gebäudekondensators kondensiert. Die auf die Rohrinnenseite übertragene Energie wird mittels ein- oder zweiphasiger Naturumlaufströmung an eine wesentlich höher gelegene Wärmesenke in Form eines wiederum sehr großen Wasservolumens, welches Umgebungsdruck und -temperatur aufweist, übertragen. Kommt es bei Erreichen der Sättigungstemperatur innerhalb der Steigleitung des Gebäudekondensators zur Verdampfung, so ist die Naturumlaufströmung stabilitätsgefährdet. Mit Flashing oder Geysering verbundene Instabilitäten können zu sehr hohen Massenstromschwankungen innerhalb des Systems mit entsprechenden mechanischen Belastungen der Komponenten führen.

Abb. 1:  Schematische Darstellung der passiven Systeme Notkondensator und Gebäudekondensator des Reaktorkonzeptes KERENA [Quelle: FRAMATOME]

Das Gesamtziel besteht darin, die für die sicherheitstechnische Bewertung von passiven Wärmeabfuhrsystemen zur Verfügung stehenden Werkzeuge, also zum Vergleich geeignete experimentelle Daten sowie validierte Rechencodes, wesentlich weiterzuentwickeln, indem die Einzelprozesse der Energieübertragung wie Kondensation und Verdampfung und die Systemstabilität im Detail betrachtet werden.