SINABEL

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Kurzbeschreibung

Verbundprojekt „Sicherheit der Nasslager für abgebrannte Brennelemente:
Experimentelle Analyse, Modellbildung und Validierung für System- und CFD-Codes“ im Rahmen des BMBF  Förderkonzeptes "Grundlagenforschung Energie 2020+"
(Förder-Kennzeichen: 02NUK027)

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

Teilprojekte:     

• Technische Universität Dresden – Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
  „Experimentelle und theoretische Untersuchung der Nachzerfallswärmeabfuhr von Brennelementen in ausdampfenden Nasslagern“ 

• Technische Universität Dresden – Institut für Strömungsmechanik (TUD-ISM)
  „Simulation von Strömung und Wärmetransport in einem Brennelement unter den Bedingungen eines Lagerbeckens“ 

• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf - Institut für Fluiddynamik (HZDR)
  „Entwicklung des Modells eines Brennelement-Lagerbeckens basierend auf dem Modellansatz des porösen Körpers“ 

• Hochschule Zittau-Görlitz – Institut für Prozesstechnik, Prozessautomatisierung und Messtechnik (HSZG)
  „Experimentelle Untersuchung der dichtegetriebenen vertikalen Austauschbewegungen von Gasen in Stabbündelgeometrien“ 

• Technische Universität Dresden – AREVA-Stiftungsprofessur für bildgebende Messverfahren für die Energie- und Verfahrenstechnik (TUD-ASP)
  „Ortsaufgelöste Temperatur- und Gasphasengeschwindigkeitsmessung zur Analyse der Strömungszustände in ausdampfenden Brennelementen“ 

Laufzeit:

10/2013 – 09/2019

Finanzierung:

BMBF   
                   

Kurzbeschreibung

Ein wesentlicher Aspekt der nuklearen Sicherheit ist die Sicherstellung der Abfuhr der Nachzerfallswärme sowohl aus dem Kernreaktor selbst als auch aus dem Brennelementlagerbecken (BE-LB) (Abb. 1). Der Reaktorunfall vom 11.03.2011 in Fukushima Daiichi hat dies in besonderer Weise gezeigt. Die Betreiber - nicht nur in Deutschland - sind nun aufgefordert, die Sicherheit der BE-LB in den laufenden und stillgelegten Anlagen nachzuweisen. Auszugehen ist vom Verlust der Beckenkühlung mit Aufheizung bis zum Sieden und nachfolgendem vollständigen Ausdampfen.

Abgebrannte Brennelemente (BE) werden nach der Entladung aus dem Reaktordruckbehälter über mehrere Jahre im BE-LB gelagert, wobei die aus dem Nachzerfall resultierende Wärmeleistung kontinuierlich abnimmt. Typische Werte liegen bei 200 W pro Brennstab (BS) drei Tage nach Abschalten bis 5 W zwei Jahre nach Entladung (Abb. 2).

Obwohl die Leistung eines einzelnen Stabes relativ klein ist, muss bei voller Beladung des BE-LB insgesamt eine Leistung von mehreren Megawatt abgeführt werden. Im Auslegungsfall, d. h. bei einer Wasserüberdeckung von mehreren Metern Höhe, sind sowohl die sichere Wärmeabfuhr als die radiologische Abschirmung gewährleistet. Fällt die Kühlung des BE-LB aus oder geht das Wasser im BE-LB infolge eines Lecks verloren, kann sich ein Szenarium entwickeln, welches die Integrität der Brennstäbe gefährdet. Sinkt der Wasserspiegel unter die Oberkante der BS, erfolgt deren Kühlung oberhalb des Wasserspiegels nur durch gesättigten bzw. überhitzten Dampf. Erreicht der Wasserspiegel die Unterkante der BS, ist eine konvektive Wärmeabfuhr nur durch zirkulierende Raumluft möglich. Sind die Querschnitte für die Strömung versperrt, kann die Wärme im Wesentlichen nur noch durch Wärmeleitung und Strahlung abgeführt werden. In Anbetracht der hohen Gesamtleistung in einem BE-LB besteht damit die Gefahr der Überhitzung und Zerstörung der BS mit entsprechenden Folgen. Die in dieser Störfallsituation auftretenden thermohydraulischen Phänomene sind derzeit weder qualitativ noch quantitativ hinreichend gut bekannt.

Das Hauptziel des Projektes ist die Prognose der Entwicklung der axialen und radialen Stabtemperaturprofile bei unterschiedlichen Störfallszenarien. Eine Kombination aus Experimenten und Simulationen soll gesicherte Kenntnisse über die Wärmetransportprozesse liefern. Von den Experimenten ausgehend sind vorhandene Codes (System und CFD) hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zu prüfen und Modelle auf das spezielle Problem hin zu entwickeln (Abb. 3).