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Dr. Eckhard Krepper
Computational Fluid Dynamics
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Dr. Alexander Grahn
Reactor Safety
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Numerische und experimentelle Untersuchungen des Isoliermaterialtransportes  in Wasserströmungen

Die Untersuchung der Freisetzung, des Transportes und der Sedimentation von Isoliermaterial im Reaktorsumpf gewinnt für die Sicherheitsbewertung von Druck- und Siedewasserreaktoren zunehmende Bedeutung. Das bei einem Leckstörfall freigesetzte Isoliermaterial besteht aus einem Fasergemisch verschiedener Gestalt, Größe, Konsistenz und anderer Eigenschaften. Ein Teil des Isoliermaterials kann in den Reaktorsumpf gelangen, wo es das Kernnotkühlsystem stören bzw. beeinträchtigen kann und für die Beurteilung der Langzeit-Notkühlung von Relevanz ist. Wichtige Fragen sind die Ablagerung und die mögliche Remobilisierung der Fasern im Sumpf, die Faserbelegung der Sumpfsiebe und der daraus resultierende Differenzdruck.

Ein gemeinsames Forschungsprojekt zwischen der Universität Zittau/Görlitz und dem Forschungszentrum Dresden-Rossendorf befasst sich mit diesen Fragestellungen. Anhand von Experimenten werden CFD-Modelle zur Beschreibung des Fasertransportes in einer Wasserströmung entwickelt. Während die Experimente an der Universität Zittau/Görlitz durchgeführt werden, sind die theoretischen Arbeiten in Rossendorf konzentriert.

Die wichtigsten Schwerpunkte des Projektes sind:

  • Die Primärzusammensetzung der Fasern: Blöcke von Isoliermaterial werden durch einen Dampfstrahl bei thermohydraulischen Bedingungen wie sie bei einem Leckstörfall zu erwarten sind (d.h. bei Drücken bis 11 MPa) zerfasert. Die so erzeugten Fragmente werden für die nachfolgenden Experimente verwendet. Desweiteren wird der Einfluss der Fragmentierungsbedingungen auf die Fasereigenschaften untersucht.

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Bild 1: Fotografie sinkender Fasern (links) und daraus ermittelte Verteilung der Sinkgeschwindigkeiten (rechts)

  • Transportverhalten der Fasern in einer Wasserströmung: Das Verhalten der Fasern wird in einer Wassersäule mittels optischer Methoden untersucht. Aus den Sinkgeschwindigkeiten lassen sich der Strömungswiderstand und andere physikalische Eigenschaften ableiten, die für die Anwendung einer geeigneten CFD-Simulation wichtig sind. Weitere Untersuchungen werden in einem engen Ring-Kanal durchgeführt,  in dem definierte Randbedingungen eingestellt werden. Das Wasser-Strömungsfeld sowie die Konzentrationsverteilung der Fasern werden mit Laser PIV Meßmethoden sowie mit Hochgeschwindigkeits-Videotechnik vermessen. Neben dem Strömungswiderstand spielt die turbulente Dispersionskraft eine wichtige Rolle für den Impulsaustausch zwischen Fasern und Wasser.

  • Das Ablagerungs- und Remobilisierungsverhalten der Fasern: Hierfür wurde derselbe Ringkanal mit derselben Messtechnik verwendet. Zur Erzeugung ausgeprägter 3D-Effekte wurden zwei hintereinander stehende kurze Bleche angeordnet und die Ablagerung der Fasern im Bereich der Bleche untersucht. Die CFD Modellierung berücksichtigt den Einfluss der Fasern auf die Viskosität.

  • Modellierung von  Sieben: Eine Anordnung wird dazu benutzt, den Einfluss einer Faserbeladung auf den Differenzdruck an den Sieben zu untersuchen. Die Berechnung des Differenzdruckes berücksichtigt die Kompaktierung der porösen Faserschicht. Aus der Filtertheorie in der Chemieindustrie bekannte Korrelationen werden an Experimente den jeweiligen Fasereigenschaften des betrachteten Materials angepasst. Die CFD-Simulation ermöglicht die Beschreibung eines nur teilweise belegten Siebes und deren Einfluss auf das Strömungsfeld.

  • Simulation eines Jets in eine Wasservorlage: Mittels Hochgeschwindigkeits-Video und Laser-Messtechnik wird die Impulsausbreitung eines Wasserjets in einer Wasservorlage untersucht. Von besonderem Interesse ist der Einfluss der mitgerissenen Luft auf das Wasser-Strömungsfeld und auf das mögliche Sedimentations- und Remobilisierungsverhalten der Fasern.

  • Experimente und Anwendung der Modelle in Dimensionen des Containment-Sumpfes

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Bild 2: Fasern in einem Tank unter Einfluss eines Jets bei Luftmitriss. Die Luftblasen sind durch Stromlinien dargestellt, die Lage der Fasern zeigt eine Isofläche des Faseranteils

 

 

Publikationen

  • Krepper, E.; Weiß, F.-P.; Alt, S.; Kratzsch, A.; Renger, S.; Kästner, W. : Influence of air entrainment on the liquid flow field caused by a plunging jet and consequences for fibre deposition. Nuclear Engineering and Design 241(2011), 1047-1054
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Weiß, F.-P.; Alt, S.; Kratzsch, A.; Renger, S.; Kästner, W.: CFD analyses of fibre transport and fibre deposition at plunging jet conditions. Kerntechnik 76(2011)1, 30-38
  • Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Kratzsch, A.; Renger, S.; Seeliger, A.; Zacharias, F.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Hoffmann, W.; Krepper, E.; Kryk, H. : Generic experiments at the sump model “Zittauer Strömungswanne” (ZSW) for the behaviour of mineral wool in the sump and the reactor core. Kerntechnik 76(2011)1, 20-29
  • Grahn, A.; Krepper, E.; Weiß, F.-P.; Alt, S.; Kästner, W.; Kratzsch, A.; Hampel, R. : Implementation of a pressure drop model for the CFD simulation of clogged containment sump strainers. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power - Transactions of the ASME 132(2010)
  • Krepper, E.; Grahn, A.; Cartland-Glover, G.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Kratzsch, A.; Renger, S.; Kästner, W. "CFD-Analyses on the behaviour of mineral wool in the reactor sump", Fachtagung der KTG-Fachgruppen, 07.-08.10.2010, Rossendorf, Deutschland, Aktuelle Themen der Reaktorsicherheitsforschung in Deutschland, 7.-8.10.2010 Rossendorf
  • Kratzsch, A.; Renger, S.; Kaestner, W.; Hampel, R.; Krepper, E. "Influence of an impinging jet on sedimented debris", 18th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE18, 17.-21.05.2010, Xi'an, China
  • Krepper, E.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Kratzsch, A.; Renger, S.; Kästner, W. "Some nuclear reactor safety related aspects of plunging jets", 18th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE18, 17.-21.05.2010, Xi'an, China
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G., Grahn, A.,  Weiß, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.,  Kästner, W., Seeliger, A.  "CFD-modeling of insulation debris transport phenomena in water flow", Nuclear Engineering and Design 240 (2010) 2357–2364
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A. 2009. "CFD-modelling of insulation debris transport phenomena in water flow", Kerntechnik 74(2009)5-6, 255-264
  • Cartland Glover, G. M.; Grahn, A.; Krepper, E.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kaestner, W.; Kratzsch, A.; Zacharias, F. 2009:"Hydrodynamic modeling of mineral wool fiber suspensions in a two-dimensional flow", The 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13), Kanazawa, Japan, September 27-October 2, 2009
  • Krepper, E.; Alt, S.; Renger, S., 2009: Influence of air entrainment on the liquid flow field caused by a plunging jet, Nuclear Energy for New Europe NENE-2009, 14.-17.09.2009, Bled, Slovenia
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A., 2009: "CFD Modellierung einer partikelbelasteten Kühlmittelströmung im Sumpf und in der Kondensationskammer", Wissenschaftlich-Technische Berichte / Forschungszentrum Dresden-Rossendorf; FZD-521, Aug. 2009
  • Cartland Glover, G.; Grahn, A.; Krepper, E.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kaestner, W.; Kratzsch, A.; Zacharias, F. 2009:"Hydrodynamic modeling of mineral wool fiber suspensions in a two-dimensional flow", 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE-17, 12.-16.07.2009, Brussels, Belgium
  • Grahn, A.; Krepper, E.; Weiß, F.-P.; Alt, S.; Kästner, W.; Kratzsch, A.; Hampel, R., 2009: "Implementation of a pressure drop model for the CFD simulation of clogged containment sump strainers", 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE-17, 12.-16.07.2009, Brussels, Belgium
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Seeliger, A. ,2009: CFD-modelling and experiments of insulation debris transport phenomena in water flow, Nuclear Technology 167(2009)1, 46-59
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Seeliger, A., 2008, Experiments and CFD-modelling of insulation debris transport phenomena in water flow,  Experiments and CFD Codes Application to Nuclear Reactor Safety, (XCFD4RS), 10.-12.09.2008, Grenoble, France
  • Krepper, E., Cartland-Glover, G., Grahn, A, Weiss, F.-P., Alt, S, Hampel, R. Kästner, W.,  Seeliger, A., 2008, Experimental investigation and CFD simulation of the behaviour of mineral wool in the reactor sump, 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE16), May 11-15, 2008, Orlando, USA, paper ICONE16-48121
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Seeliger, A., 2008. Numerical and experimental investigations for insulation particle transport phenomena in water flow, Annals of Nuclear Energy 35 (2008), 1564–1579
  • Weiss, F.-P.; Alt, S.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Hampel, R.; Kästner, W.; Krepper, E.; Seeliger, A., 2007. Investigation of the behaviour of mineral wool in the reactor sump, invited lecture at the "Quadripartite Meeting on Sump Screen Blockage", 17.-18.10.2007, Erlangen, Germany
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Weiss, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Seeliger, A., 2007. CFD-modelling of insulation debris transport phenomena in water flow, The 12th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-12), 30.09.-04.10.2007, Pittsburgh, USA
  • Cartland-Glover, G.; Alt, S.; Kästner, W.; Krepper, E., 2007, Application of multiphase flow modeling techniques to the transport of submerged mineral wool fibers; 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF Leipzig Germany 2007
  • Krepper, E.; Cartland-Glover, G.; Grahn, A.; Weiß, F.-P.; Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Seeliger, A., 2007, CFD-modelling of mineral wool in the containment sump; Jahrestagung Kerntechnik, 22.-24.05.2007 Karlsruhe, Germany
  • Cartland-Glover, G.; Alt, S.; Kästner, W.; Krepper, E., 2007, Numerical investigations of the transport of submerged insulation particle; Jahrestagung Kerntechnik, 22.-24.05.2007 Karlsruhe, Germany
  • Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Grahn, A.; Krepper, E., 2006, Experimental investigations for head loss build up at clogged strainers after LOCA; Jahrestagung Kerntechnik, 16.-18.5.2006, Aachen, Germany
  • Grahn, A.; Krepper, E.; Alt, S.; Kästner, W. 2006, 1D-modelling of differential pressure buildup at clogged containment sump strainers after LOCA, Jahrestagung Kerntechnik, 16.-18.5.2006, Aachen, Germany
  • Krepper, E.; Grahn, A., 2006, Untersuchung des Verhaltens von freigesetztem Isolationsmaterial in einer Kühlmittelströmung (Kühlmittelströmung mit Feststoffpartikeln) – Modellentwicklung; Wissenschaftlich-Technische Berichte / Forschungszentrum Rossendorf; FZR-458 2006
  • Krepper, E.; Grahn, A.; Kästner, W., 2006, CFD-Simulation von Mineralwollpartikeln in der Sumpfströmung, Aktuelle Themen der Reaktorsicherheitsforschung in Deutschland, KTG-Fachgruppen "Sicherheit kerntechnischer Anlagen" und "Betrieb von kerntechnischen Anlagen", 03.-04.04.2006, Dresden, Germany
  • Grahn, A.; Krepper, E.; Alt, S.; Kästner, W., 2006, Modelling of differential pressure buildup during flow through beds of fibrous materials, Chemical Engineering & Technology 29(2006)8, 997-1000
  • Krepper, E.; Alt, S.; Grahn, A., Seeliger, A., 2005, Experimental and analytical investigations for debris transport phenomena in multidimensional water flow, The 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-11), 02.-06.10.2005, Avignon, Frankreich
  • Krepper, E.; Grahn, A.; Alt, S.; Kästner, W.; Kratzsch, A.; Seeliger, A., 2005, Numerical investigations for insulation particle transport phenomena in water flow; International Conference "Nuclear Energy for New Europe", 05.-08.09.2005, Bled, Slovenia
  • Alt, S.; Hampel, R.; Kästner, W.; Lischke, W.; Seeliger, A.; Krepper, E.; Grahn, A., 2005, Untersuchungen zum Verhalten von freigesetztem Isolationsmaterial in ruhender und horizontaler Kühlmittelströmung, Jahrestagung Kerntechnik, 10.-12.05.2005, Nürnberg
  • Hampel, R.; Kästner, W.; Alt, S.; Seeliger, A.; Krepper, E.; Grahn, A., 2004, Experimental and Numerical Investigations for Fragmentation and Insulation Particle Transport Phenomena in Water Flow, 5th International Conference on Multiphase Flow, ICMF'04, Yokohama, Japan, May 30–June 4, 2004, Paper No. 555
  • Krepper, E.; Grahn, A., 2004, Numerical investigations of insulation debris transport phenomena in water flow, OECD Workshop on Debris Impact on Emergency Coolant Recirculation, Albuquerque, NM (USA), 25-27 February 2004

Kooperation:

Hochschule Zittau/Görlitz

ANSYS/CFX

Danksagung:

Die Arbeiten werden durch das Ministerium für Wirtschaft und Technologie unter den Projektnummern 1501270 and 150 1307 gefördert.


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Dr. Eckhard Krepper
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Dr. Alexander Grahn
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