Kühlmittelvermischung bei stationärem Pumpenbetrieb

Abb. 1 zeigt den Zeitverlauf der Störung Theta an beiden Sensoren im Downcomer (dargestellt als abgewickelte Ansicht). Schon am oberen Sensor ist eine azimutale Umverteilung der Strömung festzustellen. Der mit dem Tracer beaufschlagte Sektor hat sich von der Eintrittsposition der Schleife 1 (22.5°) zur Position, die dem Anteil der Strömung aus Schleife 1 an der gesamten Strömung entspricht (mit der neuen Mittelposition von 45°) verschoben. Der durch Tracer eingenommene Sektor hat eine Ausdehnung von 90°, was die Qualität der Randbedingungen unterstreicht (gleiche Volumenstromraten in allen vier Schleifen).

Auch am unteren Sensor bleibt der Tracer auf den entsprechenden Sektor beschränkt, aber es sind Fluktuationen des gesamten Strömungsfeldes zu beobachten. Diese werden durch Geschwindigkeitsmessungen bestätigt (siehe unten). Vermischung mit dem umgebenden Kühlmittel findet an den Außenseiten des Sektors statt.

Am Kerneintritt wird der erste Tracer gleichzeitig an zwei Positionen an den Grenzen des der entsprechenden Schleife zuzuordnenden Sektors detektiert. Erst mit fortschreitender Zeit füllt sich der Bereich in der Mitte des Sektors mit Tracer (siehe Video). Nach einigen Sekunden hat sich ein quasistationäres Konzentrationsfeld mit einem Maximum in der Mitte des Sektors eingestellt. Auf diesem quasistationären Level sind großflächige Fluktuationen des Tracerfeldes in der Kerneintrittsebene zu beobachten. Im Downcomer rotierende Wirbel (gefunden in den unten präsentierten Geschwindigkeitsmessungen) sind für die Bewegungen des Sektors verantwortlich. Obwohl Mittel- und Maximalwert der Tracerkonzentration in der Kerneintrittsebene nahezu konstant sind, zeigen die Werte an Brennelementpositionen an der Außenseite des beaufschlagten Sektors signifikante Änderungen des Messwertes auf dem quasistationären Level. Das wird an Hand von Abb. 3 demonstriert, die die Messwerte einschließlich der Vertrauensintervalle bestimmt auf der Basis von fünf Einzelrealisierungen eines Experiments zeigt.

Abb. 4 zeigt die am Austritt aus dem Downcomer mit einem Laser-Doppler-Anemometer gemessene Verteilung der vertikalen Geschwindigkeitskomponente zusammen mit dem 68.3%-Vertrauensintervall im Experiment mit Nominalvolumenstrom in allen vier Schleifen (Negative Werte bedeuten abwärts gerichtete Strömung!). Es ist deutlich zu sehen, dass die Geschwindigkeit stark von der Messposition am Umfang des Downcomers abhängt. An den Positionen 0°, 90°, 180° und 270°, d.h. in der Mitte zwischen zwei benachbarten Ein- oder Austrittsstutzen wird ein Maximum der Geschwindigkeit beobachtet. Minima wurden an den Winkelpositionen zwischen den genannten Werten gemessen (45°, 135°, 225° und 315°). Die Ungleichmäßigkeit des Geschwindigkeitsfeldes am Austritt aus dem Downcomer wird durch eine Gruppe von acht Rezirkulationswirbeln hervorgerufen, die sich unterhalb der Stutzenebene gebildet haben. Sie werden durch die Aufweitung des Downcomers an dieser Stelle erzeugt. Die Breite des Downcomers erhöht sich auf Grund der Reduzierung der Wandstärke des Druckbehälters. Der sich daraus ergebende Winkel von 18° ist zu groß, um einen Abriss der Strömung zu vehindern.