Realistische Simulation von Reaktivitätsstörfällen mit gekoppelten neutronenkinetisch-thermohydraulischen Systemcodes - Abschlussbericht

Der gekoppelte Programmkomplex DYN3D/ATHLET wurde im Rahmen der Arbeiten zum Projekt weiterentwickelt. Dabei wurde das in der externen Kopplung von DYN3D und ATHLET verfügbare Modell für die Beschreibung der Kühlmittelvermischung auf weitere Szenarien erweitert und in die anderen beiden Kopplungsoptionen implementiert. Des Weiteren wurde ein spezielles Modell zur Vermeidung der numerischen Diffusion beim Bortransport innerhalb des Reaktorkerns, das für DYN3D entwickelt worden war, in das Thermohydraulikprogramm ATHLET übertragen.
Für die Analyse von heterogenen Borverdünnungsstörfällen wurde eine Methodik bestehend aus stationären und transienten Rechnungen entwickelt. Durch die Implementierung des o.g. Modells zur realistischen Beschreibung der Kühlmittelvermischung in den gekoppelten Programmkomplex DYN3D/ATHLET war es möglich, eine neue Qualität in der Analyse von Borverdünnungsstörfällen zu erreichen. Die Methodik wurde auf zwei verschiedene Borverdünnungsstörfalle angewandt. Wesentliches Ergebnis ist, dass entsprechend den Rechenergebnissen selbst bei Vorgabe einer aus konservativen Abschätzungen stammenden maximalen Pfropfengröße für beide Szenarien die Integrität des Brennstoffs nicht gefährdet ist. Die entsprechenden Studien zeigten die großen Reserven, die beim konsequenten Abbau von Konservativitäten freigesetzt werden können. Der entscheidende Beitrag zu diesem Abbau ist dabei auf die realistische Modellierung der Vermischung der deborierten Pfropfen innerhalb des Reaktordruckbehälters zurückzuführen. Von Vorteil erwies sich hier der Einsatz der verschiedenen Kopplungsoptionen. Die damit verbundene Anwendung unterschiedlicher Thermohydraulikmodelle auf ein und dieselbe Störfalltransiente erhöht das Vertrauen in die erzielten Ergebnisse.
Die Untersuchungen zur Borverdünnung während des Nachkühlbetriebes wurden in einem gesonderten Bericht ausführlich dargestellt. Dieser Bericht wird derzeit im Rahmen eines Genehmigungsverfahrens eingesetzt.
Erstmals wurde das Programm DYN3D/ATHLET auf eine ATWS-Transiente angewandt. Am Beispiel der Transiente: „Ausfall der Hauptspeisewasserversorgung“ wurde der Einfluss verschiedener thermohydraulischer und neutronenkinetischer Randbedingungen auf die Ergebnisse untersucht. Der wichtigste Sicherheitsparameter bei der betrachteten Transiente ist der Druck im Primärkreislauf. Im Bereich der thermohydraulischen Variationen hat die Effektivität der Entlastungs- und Sicherheitsventile den größten Einfluss auf diesen Parameter. Der berechnete Maximaldruck hängt auch stark von der Kernbeladung ab. So wurde gezeigt, dass mit Erhöhung der Anzahl der MOX-Brennelemente das berechnete Druckmaximum deutlich niedriger ausfällt. Weiterhin wurden die Rückkopplungsparameter einer generischen Kernbeladung einer statistischen Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse unterzogen, in deren Verlauf 100 Variationsrechnungen durchgeführt wurden. Diese Analyse ergab, dass dabei bei identischer relativer Variationsbreite der Rückkopplungskoeffizient der Moderatordichte einen doppelt so großen Einfluss auf den berechneten Maximaldruck hat wie der Koeffizient der Brennstofftemperatur.
Mit dem Programmkomplex DYN3D/ATHLET steht ein anwendungsbereites Werkzeug mit einer breiten Validierungsbasis für die Analyse von Störfällen zur Verfügung, in denen die enge Kopplung von Neutronenkinetik und Thermohydraulik unter Berücksichtigung des Einflusses der Anlagenkomponenten von Bedeutung ist. Es kann für konkrete Nachweisrechnungen einschließlich der Quantifizierung von Unsicherheiten auf Basis deterministischer oder statistischer Ansätze eingesetzt werden.