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Thomas Geißler
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Einzeleffektstudien zur Dampfkondensation in einem geneigten Rohr

Hintergrund

Industrielle Bedeutung

Der Zwischenfall im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi im März 2011 legte die Anfälligkeit von Kernkraftwerken auf einen totalen Stromausfall offen. Durch einen station blackout, einen vollständigen Wegfall der Elektroenergie, konnte die Kühlung von vier Reaktorkernen nicht mehr gewährleistet werden. Verursacht durch die Nachzerfallswärme des Reaktorkerns kam es zu einem starken Temperatur- und Druckanstieg, sowie einer partiellen Kernschmelze in den Reaktorblöcken. In aktuellen Generation II Kernkraftwerken wird die Notkühlung mittels aktiver Systeme realisiert. Darunter versteht man z.B. den Einsatz von Hochdruck-Kühlwassereinspeisungen über zusätzliche Pumpen. Zukünftige Generation III/III+ Kernkraftwerke werden zusätzlich mit passiven Systemen ausgestattet sein. Passive Systeme erfordern keine externe Energieversorgung.

Notkondensator an KERENA

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Funktionsweise des Notkondensators als Teil der passiven Sicherheitssysteme des KERENA - Reaktorkonzeptes.

Das KerenaTM - Reaktorkonzept ist ein Siedewasserreaktor der Generation III+ mit 1250 MWe Leistung. Das Sicherheitskonzept beinhaltet passive Sicherheitssysteme die Wärme aus dem Reaktorkern und den Reaktordruckbehälter (RDB) über einen Notkondensator und einen Gebäudekondensator an die Umgebung abgeben können.  In Abbildung 1 ist die prinzipielle Funktionsweise des Notkondensators dargestellt. Durch einen Füllstandsabfall im RDB, etwa durch einen Rohrleitungsbruch, werden die Rohre des NOKO frei gelegt. Der nachströmende Dampf kondensiert an der kalten Rohrwand und fließt als flüssiges Kühlmedium zurück in den Reaktorkern. Die Kondensationswärme wird an eine stehende Wasservorlage, den Kernfluttank, übertragen.

Motivation

Im Inneren der Rohre des Notkondensators kommt es zum Phänomen der Kondensation in leicht geneigten Rohren. Charakteristisch dafür ist eine große Bandbreite an verschiedenen Strömungsformen und Wärmeübertragungsmechanismen. Das Strömungsregime erstreckt sich während des Kondensationsvorgangs von einer Annularströmung, über eine stratifizierte Strömung, hin zu einer Blasenströmung. Durch den Einfluss der Gravitationskraft auf die Zweiphasenströmung ergibt sich eine ausgeprägte azimutale Phasenverteilung. Der für den Wärmeübergang bestimmende Wasserfilm an der Rohrwand variiert sowohl über den Kondensationsverlauf (Rohrlänge), als auch über den Winkel orthogonal zur Hauptströmungsrichtung.

Die aktuell existierenden Berechnungsmodelle für Kondensationsvorgänge in einem leicht geneigten Rohr ermöglichen lediglich eine eindimensionale Vorausberechnung der Kondensation. Für die Weiterentwicklung der Beschreibungsmöglichkeiten der Kondensation sollen hochaufgelöste Messdaten an einem generischen Versuchsstand erzeugt werden. Die experimentellen Daten bilden eine Basis zur Entwicklung und Validierung neuer Berechnungsmodelle.

Versuchsaufbau

Testrecke

Die Versuchsanlage ist für die gezielte Untersuchung von Einzeleffekten der Kondensation ausgelegt. Das Testrohr besteht aus einem Doppelrohr in dessen Innenrohr die Kondensation erfolgt. Als Wärmesenke fungiert im Außenraum zwangszirkulierendes Kühlwasser. Zur Einstellung beliebiger Dampfgehalte am Eintritt, ist der Versuchsaufbau mit einem Dampf-Sattwasser-Mischsystem ausgestattet.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Testsektion mit Eintrittsmischsystem.

Die Testsektion ist an die TOPFLOW-Anlage angebunden und durch deren Dampfkesselkreislauf mit Sattwasser und Dampf versorgt. Die maximalen Versuchsparameter sind in Tabelle 1 dargestellt.

Anlagenparameter

Testgeometrie

maximaler Betriebsdruck 65 bar Innendurchmesser 43,3 mm
maximale Betriebstemperatur 281 °C Länge ca. 3000 mm
Dampfmassenstrom 1 kg/s Neigung 0,76 °
Kühlwassermassenstrom 30 kg/s    

Tabelle 1: Maximale Parameter der Versuchsanlage.

Spezialinstrumentierung

Der Versuchsstand verfügt zur Untersuchung der Strömungsmorphologie und der Wärmeübergangsmechanismen im Verlauf des Kondensationsprozesses über einen Röntgentomographen und eine Wärmedurchgangssonde. Mithilfe der Röntgentomographie werden Schnittbilder des vorherrschenden Strömungsbildes erzeugt. Daraus lassen sich Aussagen über die Strömungsform und Fluidverteilung während der Kondensation ableiten.

Versuchsstand zur Untersuchung der Hochdruckkondensation mit Röntgentomographen

Abbildung 3: Versuchsstand zur Untersuchung der Hochdruckkondensation mit Röntgentomograph.

Die Wärmedurchgangssonde liefert Messdaten von winkelversetzt angeordneten Thermoelementpaaren in der Rohrwand des Kondensationsrohres. Aus Basis dieser Daten kann der lokale Wärmestrom winkelaufgelöst bestimmt werden.

Der vorgestellte Versuchsstand ermöglicht es, aufgrund seiner Einbindung in die TOPFLOW-Anlage und die vorhandene Spezialinstrumentierung die Hochdruckkondensation zu untersuchen. Dabei können integrale Leistungskenndaten und lokale Strömungsmerkmale und Wärmeübergangscharakteristika untersucht werden.

Partner

Das Projekt wird realisiert in Zusammenarbeit mit AREVA NP GmbH und dem Paul Scherrer Institut (PSI).


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