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Dr. Ronald Lehnigk

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Dr. Dirk Lucas

Lei­ter Computational Fluid Dynamics
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Sicherheit der Nasslager für abgebrannte Brennelemente (SINABEL)

Das im Rahmen des Förderprogramms "Grundlagenforschung Energie 2020+" durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte und gemeinschaftlich durch die Technische Universität Dresden (TUD), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und die Hochschule Zittau/Görlitz (HSZG) bearbeitete Projekt SINABEL war der Untersuchung der Sicherheit von Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente gewidmet. Mit dem Unfall im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi im März 2011 ist diese Thematik wieder verstärkt in den Fokus der nuklearen Sicherheitsforschung gerückt. Die Nasslagerung von Brennelementen ist erforderlich um die aus dem Nachzerfall resultierende Wärme zuverlässig abzuführen. Diese nimmt nach der Entnahme der Brennelemente aus dem Reaktordruckbehälter exponentiell ab und liegt typischerweise zwischen 5 und 200 Watt pro Brennstab, je nach Dauer der Lagerung. Ein Versagen des Beckenkühlsystems, beispielsweise durch einen Ausfall der Betriebsstromversorgung des Kraftwerks, kann binnen Tagen zu einer Freilegung der Brennelemente führen. Im Beitrag des HZDR wurden mittels Methoden der numerischen Strömungssimulation mögliche Probleme einer ausreichenden Kühlung der Brennelemente untersucht. Im Fokus stand hierbei die Strömung in der Lagerbeckenatmosphäre für den Fall einer partiellen Freilegung der Brennelemente, wobei der Wärmetransport durch freie Konvektion entlang des Brennelementes unterbrochen ist. Die Simulationen zeigen, dass die Strömungscharakteristik unabhänigig von der räumlichen Verteilung der Zerfallswärmeleistung im Becken ist und sich die in der Abbildung illustrierten Strömungspfade einstellen. Detailliertere Simulationen auf der Brennelementebene durch das Institut für Strömungsmechanik der Technischen Universität Dresden lassen jedoch erkennen, dass die Intensität des konvektiven Wärmeaustausches zwischen der Atmosphäre und dem Brennelementinneren von dessen Lage im Becken abhängt. Die Ergebnisse legen nahe, dass für den Fall der partiellen Freilegung eine wandnahe Lagerung von Brennelementen höherer Zerfallswärme deren Kühlung begünstigt. Ein zusätzlicher lokaler Kühleffekt lässt sich durch eine schachbrettartige Anordnung nach der Zerfallswärme bewirken.

(a) Momentaufnahme des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in einer vertikalen Ebene durch das Zentrum des Lagerbeckens; (b) Illustration der vorherrschenden Strömungscharakteristik in der Beckenatmosphäre. ©Copyright: Lehnigk, Ronald

Abbildung: (a) Momentaufnahme des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in einer vertikalen Ebene durch das Zentrum des Lagerbeckens; (b) Illustration der vorherrschenden Strömungscharakteristik in der Beckenatmosphäre. (Oertel et. al., 2019)


Danksagung

Dieses Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 02NUK027C gefördert.

BMBF-Förderung


Publikationen

Oertel, R.; Hanisch, T.; Krepper, E.; Lucas, D.; Rüdiger, F.; Fröhlich, J.;
Two-scale CFD analysis of a spent fuel pool involving partially uncovered fuel storage racks
Nuclear Engineering and Design 341(2019), 432-450

Oertel, R.; Krepper, E.; Lucas, D.;
CFD Simulation of Spent Fuel Pool Accidents resulting in partially uncovered Fuel Assemblies
47th Annual Meeting on Nuclear Technology (AMNT 2016), 10.-12.05.2016, Hamburg, Deutschland

Oertel, R.; Krepper, E.; Lucas, D.;
Application of CFD towards the thermo-hydraulic analysis of Spent Fuel Pool accidents
The 16th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-16), 30.09.-04.10.2015, Chicago, USA

Oertel, R.; Krepper, E.; Lucas, D.;
Large Scale CFD Simulations of Spent Fuel Pool Accident Scenarios Using a Porous Body Approach
46th Annual Meeting on Nuclear Technology (AMNT 2015), 05.-07.05.2015, Berlin, Deutschland


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