Simulation des Ausbreitungsverhaltens und der Kühlung einer Kernschmelze im Sicherheitsbehälter von LWR-Anlagen

Erkenntnisse zum Verhalten geschmolzener Kernmaterialien im Sicherheitsbehälter und zu deren langzeitiger Kühlung sind für die Begrenzung der Auswirkungen eines schweren Unfalles von erheblicher Bedeutung. Mit dem Bestreben, die Auswirkungen eines Kernschmelzunfalles auf die Anlage zu beschränken, kommt der zuverlässigen Simulation des Verhaltens einer Kernschmelze im Sicherheitsbehälter eine zentrale Bedeutung zu. Nach der Aufbereitung der verfügbaren einschlägigen Versuchsergebnisse und Modellansätze sind auf der Grundlage der dabei gewonnenen Erkenntnisse die zu modilierenden Einzelphänomene identifiziert, verfügbare Modellansätze bewertet und Prioritäten hinsichtlich Neu- bzw. Weiterenrwicklung von Modellen für Einzelphänomene gesetzt worden.

Für die Simulation der Schmelzeausbreitung ist ein auf vulkanologischen Ansätzen basierender Rechencode ausgewählt und unter dem Namen "LAVA" weiterentwickelt worden. In LAVA wird der Immobilisierungsprozess am Ende der Ausbreitung über eine nicht-Newtonsche Materialcharakteristik in Form einer vom Feststoffgehalt des erstarrenden Materials abhängigen Binghamschen Fließgrenze beschrieben. Zur Berechnung der rheologischen Stoffwerte Viskosität und Fließgrenze für erstarrende Schmelzen sind Korrelationen aus der Literatur ausgewählt und Modellparameter abgeschätzt worden. LAVA ist umfassend an den Experimenten der COMAS und KATS Versuchsreihe validiert worden.

Ein Konzept für das Gesamtmodell zum Schmelzeverhalten im Sicherheitsbehälter ist hinsichtlich der physikalischen und programmtechnischen Verknüpfung konzipiert worden, wobei die Randbedingungen für die Implementierung des Gesamtmodells COCOSYS berücksichtigt sind. Dieses Konzept sieht eine Kopplung eigenständiger Module für Schmelzeausbreitung (LAVA) und -kühlung (CCI) vor. Für die Neuformulierung des CCI-Moduls sind in detaillierten Untersuchungen grundlegende Erkenntnisse gewonnen worden: Die Leistungsfähigkeit von CFD-Codes für die Simulation von 3D-Wärmetransportphänomenen in Schmelzepools wurde in einem umfassenden Codevergleich analysiert. Ferner wurde ein Modell zur Beschreibung der bewegten Phasengrenzflächen bei Aufschmelz- bzw. Erstarrungsvorgängen in dem CFD-Code CFX implementiert und angewendet. Aus den hieraus gewonnenen Erkenntnissen ist ein Konzept für die Neuentwicklung des CCI-Moduls in COCOSYS erstellt worden.