CFD-Berechnung des Heißkanals eines Brennelements

Sieden ist ein sehr effektives Phänomen zur Abführung von Wärme. Durch eine Wasserkühlung mit Phasenübergang lassen sich sehr hohe Wärmeströme realisieren. Bei Überschreiten des kritischen Wärmestromes jedoch verringert sich schlagartig der Wärmeübertragungskoeffizient, was zu einem starken Temperaturanstieg und zu einer Gefährdung der Integrität der Konstruktion führen kann. Der kritische Wärmestrom hängt von den Strömungsparametern ab und kann durch die geometrische Auslegung beeinflusst werden. Bei der Konstruktion von Brennelementen eines Kernreaktors werden spezielle mit Vermischungsfahnen ausgerüstete Abstandhalter vorgesehen, die eine wichtige Funktion bei der Erhöhung des zulässigen Wärmestromes spielen. Der Nachweis des Effektes einer solchen konstruktiven Maßnahme erfordert sehr kostenintensive Experimente. Die Ergänzung oder sogar der Ersatz kostspieliger Experimente durch numerische Analysen sind daher von starkem Interesse.

Die Abbildung zeigt die Strömungsvorgänge in einem Heißkanal in axial verkürzter Darstellung. Die Vermischungsfahnen erzeugen einen starken Wirbel (hier als Eintrittsbedingung vorgegeben), wodurch sich die Wärmeübertragung von der Metalloberfläche an das Kühlmittel verbessert. Die Stromlinien zeigen Dampfblasen, die durch die Zentrifugalkräfte ins Innere des Kanals bewegt werden. Die Farben kennzeichnen die Temperatur auf der Metalloberfläche.

Wichtigste Publikationen

• Krepper, E., Koncar, B., Egorov, Y., 2007, Modelling of subcooled boiling – concept, validation  and application to fuel assembly design, Nuclear Engineering and Design 237 (2007) 716-731
• Krepper, E.; Egorov, Y.; Koncar, B., 2006. Towards CFD modelling of critical heat flux in fuel rod bundles; International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP06), 04.-08.06.2006, Reno, USA
• Burtak, F.; Krepper, E., 2005. Can we predict critical heat flux in fuel assemblies by CFD methods?, Annual Meeting on Nuclear Technology 2005, 10.-12.05.2005, Nürnberg, Germany
• Krepper, E., Egorov, Y., 2005. CFD-Modelling of Subcooled Boiling and Application to Simulate a Hot Channel of a Fuel Assembly, 13^th International Conference on Nuclear Engineering, Beijing, China, May 16-20 2005, ICONE 13-50245
• Koncar, B., Krepper, E., Egorov, Y., 2005. CFD Modelling of Subcooled Flow Boiling for Nuclear Engineering Applications, International Conference “Nuclear Energy for New Europe” Bled, Slovenia, September 5-8, 2005, Paper 140
• Krepper, E., CFD modelling of subcooled boiling, The 10^th International Topic Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, NURETH-10, Seoul, Korea, October 5 - 9, 2003