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Dr. Sören Kliem
Head Reactor Safety
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Die Versuchsanlage ROCOM

Zur Untersuchung der Kühlmittelvermischung im Reaktordruckbehälter von Druckwasserreaktoren (DWR) wurde die Versuchsanlage ROCOM (Rossendorf Coolant Mixing Model) aufgebaut.

ROCOM ist ein 1:5 Modell des DWR KONVOI und wurde für ein weites Spektrum von verschiedenen Vermischungsszenarien konzipiert.
Die Experimente an ROCOM haben das Ziel, zeitlich veränderliche Verteilungen der Transportgrößen Temperatur bzw. Borsäurekonzentration in der komplexen Geometrie des Reaktordruckbehälters mit seinen strömungsführenden Einbauten messtechnisch zu ermitteln. Die bestimmenden Eingangsgrößen sind die Zeitverläufe der Kühlmitteldurchsätze in den vier Schleifen des Primärkreislaufs sowie der Temperaturen bzw. Borsäurekonzentrationen an den Kühlmitteleintrittsstutzen. Diese Temperatur- bzw. Borsäurekonzentrationsunterschiede werden durch Zugabe einer die elektrische Leitfähigkeit beeinflussenden Tracerlösung (NaCl-Lösung) simuliert.

Die Versuchsanlage ist mit einer Messtechnik ausgestattet, die eine räumlich und zeitlich hochauflösende Messung der transienten Verteilung der Tracerkonzentration ermöglicht.
 

Auslegungsparameter

Die Auslegungsparameter des Vermischungsmodells im Vergleich zu den Originaldaten sind in der folgenden Tabelle (Vergleich Original DWR - ROCOM: Modellmedium Wasser, 20°C) zusammengefasst.

Größe Maßeinheit Original ROCOM
Druckgefäßinnendurchmesser mm 5000 1000
Druckgefäßhöhe mm ~12 000 ~2400
Eintrittsstutzeninnendurchmesser mm 750 150
Downcomerspaltweite mm 315 63
Kühlmitteldurchsatz pro Schleife m3/h 23 000 350 (max.)
185 (nominal)
Kühlmitteleintrittsgeschwindigkeit m/s 14.5 5.5 (max.)
2.91 (nominal)
Geschwindigkeit im Downcomer m/s 5.5 2.1 (max.)
1.1 (nominal)
Reynolds-Zahl Re Kühlmitteleintritt - 8.4 · 107 8.3 · 105 (max.)
4.4 · 105 (nominal)
Re Downcomer - 2.7 · 107 2.6 · 105 (max.)
1.4 · 105 (nominal)
Re Original/Re ROCOM - 1 ~100 (max.)
~190 (nominal)
Umlaufzeit Original/ROCOM - 1 1 (nominal)

Aufbau

Kernstück der Versuchsanlage ist das aus Plexiglas gefertigte Modell des Reaktordruckbehälters (Abbildung oben). Alle geometrischen Einzelheiten auf dem Strömungspfad vom Eintritt in den Reaktordruckbehälter über den Downcomer und das untere Plenum bis zur Kerneintrittsplatte sind originalgetreu im gegebenen Maßstab nachgebildet. Insbesondere sind das die diffusorartige Erweiterung unterhalb der Stutzenebene und die Aussparungen im Downcomer für die Durchführung der heißen Stränge sowie die elliptische Siebtonne mit maßstäblicher Perforation im unteren Plenum. In die Kerntrageplatte sind Durchbrüche für die Kühlmittelströmung zu den Brennelementen entsprechend den Originalverhältnissen eingearbeitet. Vor jedem Brennelement befindet sich eine Öffnung mit dem Durchmesser 30 mm, die jeweils eine Messposition des eingesetzten Kern-Gittersensors enthält. Weiterhin sind alle Eintrittsstutzen des Reaktordruckbehälters mit Sensoren ausgestattet. Im Downcomer der Versuchsanlage können zwei verschiedene Arten von Sensoren installiert werden. Der erste Sensortyp misst die Tracerkonzentration in einer radialen Ebene. Jeweils einer dieser Sensoren kann am Eintritt (unterhalb der Stutzenebene) und am Austritt aus dem Downcomer installiert werden. Über den Umfang sind 64 Messpositionen mit einem Abstand von 5.625° verteilt, an denen jeweils an vier Stellen über der Breite des Downcomers im Abstand von 13mm die Messwerte aufgenommen werden. Für eine verbesserte Visualisierung und Quantifizierung der Vermischung im Downcomer der Versuchsanlage wurde ein neuer Gittersensor entwickelt, der an Stelle der beiden radialen Sensoren eingebaut werden kann. Dieser Gittersensor bildet ein Netz aus 64 radialen und 32 axialen Messpunkten und erfasst damit nahezu die gesamte Höhe des Downcomers. An jeder Messstelle wird die über die Breite des Downcomers gemittelte Leitfähigkeit ausgegeben. Sensoren können an weiteren Positionen im Strömungspfad (z.B. in den Austrittsstutzen oder an der Einspeisestelle für das Notkühlwasser) eingebaut werden.
Der Reaktorkern wird lediglich durch den hydraulischen Widerstand der Brennelemente repräsentiert. Um eine Verbindung zwischen Kerneintritt und Kernaustritt herzustellen, wurde ein Brennelement-Einsatz der einen hydraulischen Kurzschluss zwischen unterem und oberem Plenum darstellt, eingebaut. In der jetzigen Ausbaustufe ist das Modell des Reaktordruckbehälters durch einen ebenen Deckel abgeschlossen, der gegen einen sphärischen Deckel entsprechend den Originalverhältnissen austauschbar ist. Das obere Plenum enthält keine Einbauten.
ROCOM verfügt über Nachbildungen aller vier Hauptumwälzschleifen (Abbildung unten), jede ausgestattet mit einer Umwälzpumpe. Die Umwälzpumpen werden individuell über je einen elektronischen Frequenzumrichter betrieben. Dadurch ist es möglich, nahezu jede gewünschte Kombination von Volumenströmen in den einzelnen Schleifen einzustellen. Bei der Nachbildung von Naturumlaufszenarien werden die Pumpen mit entsprechend reduzierter Drehfrequenz betrieben. Die Schleifengestaltung geht aus unten stehender Abbildung hervor. Der Modellrand befindet sich vom Reaktormodell her gesehen hinter dem jeweils ersten Krümmer im Kalt- bzw. Heißstrang, d.h. die ersten Krümmer sind noch in die maßstabsgetreue Nachbildung des Originalanlage einbezogen. Zur Realisierung von gleichen Durchström- bzw. Umlaufzeiten des Kreislaufwassers ist das Volumenverhältnis des Wassers im Reaktormodell zum Schleifeninhalt gleich dem im Original-Primärsystem ausgeführt.

Schematische Darstellung der Anlage

Experimente

Eine Übersicht über die durchgeführten Experimente zur Kühlmittelvermischung ist hier zu finden:

Einführung von Experimenten

Rechnungen

Ein Überblick über die Nachrechnungen von ROCOM-Experimenten ist hier zu finden:   Geschwindigkeitsfeld

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