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Dr. Thomas Höhne
Computational Fluid Dynamics
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CFD-Rechnungen zur Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren

Hintergrund

Die numerische Strömungssimulation der Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren ist seit ca. 10 Jahren ein fester Bestandteil der Arbeiten des Instituts für Sicherheitsforschung. Ziel dieser Arbeiten ist die Beschreibung sicherheitsrelevanter Vermischungsszenarien, insbesondere unter Störfallbedingungen, z.B. während eines Frischdampfleckes bzw. einer Borverdünnungstransiente, aber auch unter normalen Betriebszuständen.

Mit der Vermischungsanlage ROCOM steht eine einzigartige experimentelle Basis für die Validierung von CFD-Tools hinsichtlich der Beschreibung von turbulenten Strömungen zur Verfügung. Benchmark Tests werden genutzt, um Turbulenzmodelle unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu testen, um den Einfluss der Reaktorgeometrie zu studieren und die Auswahl der Randbedingungen, des Diskretisierungsschemas, der Zeitschrittweite und der Größe des Rechengitters zu analysieren. Hierbei wird nach den Best Practise Guidelines in der Reaktorsicherheitsforschung vorgegangen.

Validierungsmatrix

Eine Auswahl der bisherigen Arbeiten sind im folgenden aufgelistet:

  • Durchführung von stationären und transienten Strömungs- und Vermischungsstudien des Kühlmittels im Konvoi Reaktor und in der ROCOM Vermischungsversuchsanlage mit CFX-4 und CFX-5 während
    • Borverdünnungstransienten (Start der ersten Hauptkühlmittelpumpe)
    • Frischdampfleckszenarien (Vierschleifenbetrieb)
    • Naturumlaufszenarien mit Notkühleinspeisung (Generische Experimente an der ROCOM-Anlage)
  • Teilnahme am ISP-43, (Bild 1)
  • Teilnahme am OECD Benchmark über WWER-1000 Reaktortypen, (Bild 2)
  • Durchführung von stationären und transienten CFD-Berechnungen in WWER-440 und WWER-1000 Reaktoranlagen (Bild 3)
  • Nachrechnung eines Pumpstartvorgangs an der Gidropress WWER-1000 Versuchsanlage
  • TRIO_U Validierung anhand eines ROCOM Experiments unter Zuhilfenahme eines LES-Turbulenzansatzes

Ergebnisse der numerischen Untersuchungen für die ROCOM-Anlage

Die CFD-Rechnungen wurden mit den numerischen Strömungsberechnungsprogrammen CFX-4 und CFX-5 auf dem Rossendorfer 100-Prozessor RedHat LINUX Cluster durchgeführt (dual CPU compute nodes XEON, 3.2 GHz, ~1.3 Gflops, 2 GBytes RAM).

Bei Benutzung des blockstrukturierten Codes CFX-4 wurden die Einbauten im unteren Plenum mit Hilfe des porösen Körpers und zusätzlicher Strömungswiderstände modelliert. Sensitivitätsstudien zeigten, dass das k-ε Turbulenzmodell zusammen mit einem Diskretisierungsverfahren höherer Ordnung die besten Rechenergebnisse lieferten.

In CFX-5 war es möglich, den Reaktordruckbehälter inklusive aller Einbauten detailgetreu zu modellieren. Das Gitter besteht aus 4 Millionen Elementen und 2.5 Millionen Nodes (Bild 4). Zur Erzeugung des “Production Meshs” wurden umfangreiche Gitterstudien durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass eine detailgetreue Modellierung der Siebtonne und der Siebplatte im unteren Plenum die Übereinstimmung von Messung und CFD-Rechnung verbesserte. Sensitivitätsstudien zeigten, das das SST Turbulenzmodell mit modifizierten Wandfunktionen zusammen mit zeitlichen und räumlichen Diskretisierungsverfahren höherer Ordnung für CFX-5 die besten Resultate liefern.

Bei der Simulation eines Vierschleifenbetriebes unter Nominalbedingungen tritt der Tracer in dem Sektor, welcher der Schleife zugeordnet ist, am Kerneintritt ein. (Bilder 7-10). Generell ist eine sehr gute Übereinstimmung des gemittelten Vermischungsskalars von Rechnung und Messung am Kerneintritt zu verzeichnen (Bild 7). In Bild 8 ist die lokale Position des Maximums des Vermischungsskalars dargestellt, während Bild 9 den Vermischungsskalar in azimutalen Positionen am Kerneintritt in Wandnähe zeigt.

Bei der Simulation von transienten Strömungsvorgängen, wie z.B. dem Anlaufen der ersten Kühlmittelpumpe, ergibt sich dagegen im Experiment und der korrespondierenden Rechnung ein vollständig anderes Vermischungsbild. Die Strömung teilt sich in eine linke und rechte Komponente um den Kernbehälter auf, so dass die Störung zuerst den Sektor des Reaktorkerns erfasst, der der Schleife gegenüberliegt, über die der Tracer eingespeist wird (Bilder 5 and 6).

Bild 1 Babcock 2x4loop Bild 2 WWER-1000
Bild 1 Babcock 2x4loop Bild 2 WWER-1000
Bild 3 WWER-440 Detailiertes hybrides Gridmodell CFX-5 (ROCOM)
Bild 3 WWER-440 Bild 4 Detailiertes hybrides Gridmodell CFX-5 (ROCOM)
CFX-5 Vermischungsergebnisse 9s nach Start der Hauptkühlmittelpumpe Start der Hauptkühlmittelpumpe–Strömungsbild mit Hilfe von Trajektoren
Bild 5 CFX-5 Vermischungsergebnisse 9s nach Start der Hauptkühlmittelpumpe Bild 6 Start der Hauptkühlmittelpumpe–Strömungsbild mit Hilfe von Trajektoren
Zeitabhängiger gemittelter Vermischungsskalar am Kerneintritt Zeitabhängiger lokaler Vermischungsskalar am Kerneintritt, Position in Wandnähe
Bild 7 Zeitabhängiger gemittelter Vermischungsskalar am Kerneintritt Bild 8 Zeitabhängiger lokaler Vermischungsskalar am Kerneintritt, Position in Wandnähe
Vermischungsskalar in azimutalen Positionen am Kerneintritt, Wandnähe, t=10.0 s
Experiment CFX 5
Experiment CFX 5
Bild 9 Vermischungsskalar in azimutalen Positionen am Kerneintritt, Wandnähe, t=10.0 s Bild 10 Plateaugemittelter Vermischungsskalar am Kerneintritt

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