Validierung des gekoppelten neutronenkinetischen-thermohydraulischen Codes ATHLET/DYN3D mit Hilfe von Messdaten des OECD Turbine Trip Benchmarks

Das Vorhaben bestand in der Validierung des gekoppelten neutronenkinetisch-thermohydraulischen Programmkomplexes ATHLET/DYN3D für Siedewasserreaktoren durch Teilnahme an dem OECD/NRC Benchmark zum Turbinenschnellschluss. Das von der OECD und der amerikanischen NRC definierte Benchmark basiert auf einem Experiment mit Schließens des Turbinenschnellschlussventils, das 1977 im Rahmen einer Serie von 3 Experimenten im Kernkraftwerk Peach Bottom 2 durchgeführt wurde. Im Experiment erzeugte das Schließen des Ventils eine Druckwelle, die sich unter Abschwächung bis in den Reaktorkern ausbreitete. Die durch den Druckanstieg bewirkte Kondensation von Dampf im Reaktorkern führte zu einem positiven Reaktivitätseintrag. Der folgende Anstieg der Reaktorleistung wurde durch die Rückkopplung und das Einfahren der Regelstäbe begrenzt. Im Rahmen des Benchmarks konnten die Rechenprogramme durch Vergleiche mit den Messergebnissen und den Ergebnissen der anderen Teilnehmer an dem Benchmark validiert werden.

Das Benchmark wurde in 3 Phasen oder Exercises eingeteilt. Die Phase I diente der Überprüfung des thermohydraulischen Modells für das System bei vorgegebener Leistungsfreisetzung im Kern. In der Phase II wurden 3-dimensionale Berechnungen des Reaktorkerns für vorgegebene thermohydraulische Randbedingungen durchgeführt. Die gekoppelten Rechnungen für das ausgewählte Experiment und für 4 extreme Szenarien erfolgten in der Phase III. Im Rahmen des Projekts nahm FZR an Phase II und Phase III des Benchmarks teil. Die Rechnungen für Phase II erfolgten mit dem Kernmodell DYN3D unter Berücksichtigung der Heterogenitätsfaktoren und mit 764 thermohydraulischen Kanälen (1 Kanal/Brennelement). Der ATHLET-Eingabedatensatz für die Reaktoranlage wurde von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) übernommen und für die Rechnungen zu Phase III, die mit der parallelen Kopplung von ATHLET mit DYN3D erfolgten, geringfügig modifiziert.

Für räumlich gemittelte Parameter wurde eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen und den Resultaten anderer Codes erzielt. Der Einfluss der Modellunterschiede wurde mit Hilfe von Variantenrechnungen zu Phase II untersucht. So können Unterschiede in der Leistungs- und Voidverteilung in einzelnen Brennelementen auf die unterschiedliche neutronenkinetische und thermohydraulische Modellierung des Reaktorkerns zurückgeführt werden.

Vergleiche zwischen ATHLET/DYN3D (parallele Kopplung) und ATHLET/QUABOX-CUBBOX (interne Kopplung) zeigen für räumlich gemittelte Parameter nur geringe Unterschiede. Abweichungen in den lokalen Parametern können im wesentlichen mit der unterschiedlichen Modellierung des Reaktorkerns erklärt werden (geringere Anzahl von modellierten Kühlkanälen, keine Berücksichtigung der Heterogenitätsfaktoren und ein anderes Siedemodell in der Rechnung mit ATHLET/QUABOX-CUBBOX).

Die Rechnungen für die extremen Szenarien von Phase III zeigen die Anwendbarkeit des gekoppelten Programms ATHLET/DYN3D für die Bedingungen bei Störfällen, die weit über das Experiment hinausgehen.