Application of Best Practice Guidlines for the use of computational fluid dynamics in the reactor safety analysis

Die Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren ist für zum einen für die Reaktorsicherheit, zum anderen aber auch die wirtschaftliche Betriebsführung von Bedeutung. Bei Borverdünnungsstörfällen ist die Vermischung des unterborierten Kühlwassers mit dem vorliegenden Kühlmittelinventar auf dem Weg zum Reaktorkern einzige effektive Schutzmechanismus gegen einen Reaktivitätsstörfall. Im Notkühlfall bestimmt die Vermischung die thermische und damit mechanische Belastung der Druckbehälterwand.

Im Projekt FLOMIX-R wurde eine breite und einzigartige experimentelle Datenbasis zur Kühlmittelvermischung geschaffen. An drei europäischen Versuchsanlagen wurden Experimente zur Kühlmittelvermischung in unterschiedlichen Situationen durchgeführt – Vermischung unter stationären Betriebsbedingungen, Vermischung eines Pfropfens unterborierten Wassers beim Pumpenstart und Vermischung kalten Notkühlwassers. Dank räumlich und zeitlich hochauflösender Messtechnik wurden Einsichten in die Details der Vermischungsphänomene gewonnen. Darüber hinaus wurden Messdaten zur Kühlmittelvermischung an einer realen Reaktoranlage (KKW Paks in Ungarn) verfügbar gemacht.

Die umfangreichen Messdaten bieten eine Grundlage für die Validierung von CFD-Codes. Im Projekt wurden ausgewählte Experimente durch eine Reihe von Projektpartnern mit den CFD-Codes CFX und FLUENT nachgerechnet. Dabei wurde zur Qualitätssicherung nach sogenannten ”Best Practice Guidelines” (BPG) vorgegangen. Die BPG stellen eine Strategie zur Minimierung numerischer Fehler dar. Erst nach einer erfolgten Fehlerminimierung kann die Qualität physikalischer Modelle, insbesondere von Turbulenzmodellen, bewertet werden. Im Rahmen der Anwendung der BPG wurden wichtige Erfahrungen zum Einfluss der Berechnungsgitter, der numerischen Verfahren, der Randbedingungen und der Geometrie gewonnen. Zur Bewertung der Güte der Modelle wurden quantitative Vergleiche zwischen Rechnung und Messung durchgeführt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass CFD-Methoden für eine ingenieurtechnische Anwendung auf Probleme der turbulenten Vermischung reif sind, aber viele Detailprobleme noch zu klären sind.