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Matthias Beyer
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Dr. Dirk Lucas
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Experimente im Heißstrangmodell der TOPFLOW-Anlage

Hintergrund und Motivation

Der "Reflux-Condenser"-Betrieb und die Gegenstrombegrenzung

Für den Fall eines Leckstörfalls im Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors (DWR) müssen Notmaßnahmen entworfen werden, die eine sichere Abfuhr der im Reaktorkern entstehenden Nachzerfallswärme gewährleisten, auch bei einem Komponentenausfall. Während eines hypothetischen Störfalls mit kleinem Leck im Primärkreislauf und bei gleichzeitigem Ausfall der Hochdruck-Notkühlmittel-Einspeisesysteme sowie der Hauptkühlmittelpumpen, stellt sich eine Naturkonvektion im Primärkreislauf ein. Diese ermöglicht die Wärmeabfuhr auch wenn auf Grund des Druckabfalls im Primärkreislauf sich Dampf im Kern entwickelt. Wenn aber der Wasserstand im Reaktordruckbehälter (RDB) sinkt und unter dem Niveau des heißen Strangs fällt, kann nur noch Dampf vom RDB zum Dampferzeuger strömen. So bricht die Naturkonvektion zusammen und geht zum "Reflux-Condenser"-Betrieb über.

Im Reflux-Condenser-Betrieb kondensiert der von RDB strömende Dampf in den vertikalen U-Rohren des Dampferzeugers. Das Kondensat fließt an der Rohrwand entlang in dem Teil des Dampferzeugers, in dem es entstanden ist. Somit strömt etwa die Hälfte des Kondensats wie üblich über den Pumpenbogen zum Downcomer, wobei die andere Hälfte nur über den heißen Strang zum oberen Plenum zurückströmen kann. Im Heißstrang muss das Kondensat im Gegenstrom zum Dampf fließen.

Der horizontale Gegenstrom von Dampf und Wasser ist nur für bestimmte Durchsätze stabil. Falls der Dampfstrom zu sehr ansteigt wird das Kondensat im Heißstrang blockiert. Dies ist der Begin der Gegenstrombegrenzung (auch CCFL für "counter-current flow limitation" genannt): Die Flüssigkeit wird von dem Dampf umgelenkt und strömt teilweise in der entgegen gesetzten Richtung zum Dampferzeuger. Als Folge werden Heißstrang und Dampferzeuger überschwemmt, was zu einem weiteren Sinken des Füllstandes im RDB und zu einer Reduzierung der Kernkühlung führt. Im Falle einer weiteren Anhebung des Dampfdurchsatzes wird das Kondensat komplett im Heißstrang blockiert und die Kernkühlung ist von dieser Seite nicht mehr möglich.

Motivation

Das Strömungsverhalten während dem Reflux-Condenser-Betrieb oder der Gegenstrombegrenzung kann nicht mit der gewünschten Genauigkeit und räumlichen Auflösung von den gegenwärtig eingesetzten eindimensionalen Systemcodes vorausgesagt werden. Um die Modellierung dieser Strömungsregime zu verbessern, werden derzeit die CFD-Codes (computational fluid dynamics) für Zweiphasen-Anwendungen weiterentwickelt. Dazu werden in den CFD-Programmen neue Modelle implementiert, die anhand von Experimenten getestet werden müssen, insbesondere wenn diese in der Reaktorsicherheit Anwendung finden sollen. Das Ziel unserer experimentellen Untersuchung von geschichteten Zweiphasenströmungen ist insbesondere die Bereitstellung von hoch aufgelösten Messdaten, die für die Validierung der CFD-Codes benötigt wird.

Das Heißstrangmodell

Das Heißstrangmodell
Bild 1: Schema des Heißstrangmodells eingebaut in dem Druckbehälter der TOPFLOW-Anlage

Das "Heißstrangmodell" ermöglicht die experimentelle Untersuchung von geschichteten Zweiphasenströmungen in einer komplexen Geometrie bei verschiedenen Systemdrücken. Das Heißstrangmodell ist nämlich in dem Druckbehälter der TOPFLOW-Anlage eingebaut, welches Versuche bei hohem Druck ermöglicht, jedoch im Druckgleichgewicht mit der Behälteratmosphäre (Bild 1). Für Dampf/Wasser-Experimente bei Drücken bis zu 50 bar und Temperaturen von bis zu 264°C wird der von der Teststrecke übriggebliebene Dampf in einem speziellen Wärmetauscher direkt im Druckbehälter kondensiert. Das kalte Ende dieses Kondensators ist ständig mit der Innenatmosphäre des Druckbehälters verbunden, so dass ein komplettes Druckgleichgewicht jederzeit gewährleistet ist. Somit ist die Teststrecke keinen Überdruck ausgesetzt und kann mit dünnwandigen Materialien gefertigt werden.

In dem Heißstrangexperiment ist die Testsektion ein Stahlrahmen mit Seitenwänden aus Glas für die Hochgeschwindigkeits-Videobeobachtung. Die Außenkonturen stellen ein Modell des heißen Strangs vom deutschen Reaktortyp Konvoi im Maßstab 1:3 dar, was eine Kanalhöhe von 250 mm entspricht (im geraden Teil des Heißstrangs). Die Teststrecke ist zwischen zwei Separatoren angebracht, die den Reaktordruckbehälter bzw. den Dampferzeuger eines Druckwasserreaktors simulieren. Die Experimente fokussieren sich auf den Strömungsformen, die im Bereich des Krümmers und der Dampferzeuger-Eintrittskammer beobachtet werden.

Experimente

Instrumentierung

Die Versuchsbedingungen (wie z. B. Mediendurchsätze, Drücke, Temperaturen oder Wasserstände in den Separatoren) werden über das Datenerfassungssystem der TOPFLOW-Anlage aufgezeichnet. Weiterhin wurde das Heißstrangmodell von der Seite mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera aufgenommen. Die Entwicklung eines speziellen Algorithmus ermöglicht die Erfassung der Phasengrenzfläche in den Einzelbildern. So werden quantitative Größen aus den Bildern gezogen (wie z. B. den Wasserstand in jedem Querschnitt). Durch weitere statische Verarbeitung der Daten werden Vergleiche zwischen Experiment und CFD-Rechnungen gezogen.

Versuchstypen

Die durchgeführten Versuche können wie folgt eingeordnet werden:

  • Simulation der gleichgerichteten zweiphasigen Naturkonvektion;
  • Simulation des "Reflux-Condenser"-Betriebes bis zur Gegenstrombegrenzung;
  • Generische Untersuchungen der Gegenströmung für die CFD-Validierung.

Ergebnisse

Die Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen der Strömung zeigen die Verteilung der Phasen in der Region am Krümmer des heißen Strangs und in der Dampferzeuger-Eintrittskammer. Beispielhaft zeigt Bild 2 die Strömungsbedingungen während einer Gegenstrombegrenzung von Dampf und Sattwasser bei einem Systemdruck von 50 bar und ca. 264°C. Unter diesen Bedingungen ist die Strömung im Wesentlichen stratifiziert, wobei hochvermischte Regionen zu erkennen sind: Die Phasengrenze weißt eine ausgeprägte dreidimensionale Struktur auf, Blasen werden in der Flüssigphase gerissen und Tropfen lösen sich von der Grenzfläche ab, insbesondere an Wellenberge. Solche hochaufgelösten Aufnahmen von Dampf/Wasser-Strömungen durch großflächige Fenster bei Reaktornahen Randbedingungen sind eine Weltpremiere.

In dem Heißstrangmodell während einer Dampf/Wasser-Gegenstrombegrenzung bei 50 bar beobachtete Strömungsbedingungen
Bild 2: In dem Heißstrangmodell während einer Gegenstrombegrenzung von Dampf und Wasser bei 50 bar beobachtete Strömungsbedingungen

Ausgewählte Publikationen

Siehe auch

Danksagung

Diese Arbeit wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Projektnummer 150 1329 gefördert.

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