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Ronald Oertel
Computational Fluid Dynamics
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Dr. Eckhard Krepper
Computational Fluid Dynamics
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Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
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Sicherheit der Nasslager für abgebrannte Brennelemente (SINABEL)

Die im Rahmen des Förderprogramms "Grundlagenforschung Energie 2020+" durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten und gemeinsam von den Partnern Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Technische Universität Dresden (TUD), Hochschule Zittau/Görlitz (HSZG) bearbeitete Projekt SINABEL ist der Untersuchung der Sicherheit von Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente gewidmet. Mit dem Unfall im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi im März 2011 ist diese Thematik in den Fokus der nuklearen Sicherheitsforschung gerückt. Mit der Entladung eines Brennelementes aus dem Reaktordruckbehälter wird dieses über mehrere Jahr in einem Wasserbecken gelagert, um die aus dem Nachzerfall resultierende Wärme zuverlässig abzuführen. Die Nachzerfallsleistung nimmt nach der Entnahme aus dem Reaktorkern exponentiell ab. Typische Werte liegen zwischen 200W pro Brennstab drei Tage nach Abschaltung bis 5W zwei Jahre nach Entladung. Die Leistung des Einzelbrennelementes fällt dementsprechend gering aus, jedoch kann bei voller Beladung des Beckens eine Leistung von mehreren Megawatt freigesetzt werden. Das Versagen der Beckenkühlung, z.B. durch einen Ausfall der Betriebs-Stromversorgung des Kraftwerks, kann binnen Tagen zu einer Freilegung der Brennelemente führen. Im HZDR-Beitrag werden mittels Methoden der numerischen Strömungssimulation mögliche Probleme einer ausreichenden Kühlung der Brennelemente untersucht. Im Fokus steht hierbei die Strömung in der Lagerbeckenatmosphäre bei einer partiellen Freilegung der Brennelemente. Untersucht wird der Zusammenhang zwischen der räumlichen Verteilung der Zerfallswärme im Becken und den großskaligen Strömungsphänomenen. Kritische Anordnungen der Brennelemente im Lager werden ermittelt und die Rückwirkung der Strömung auf das Einzelbrennelement untersucht. Die bisherigen Arbeiten zeigen, dass die großskalige Strömung weitgehend unabhängig von der Zerfallswärmeverteilung im Lagerbecken ist (siehe Abb. 1 und 2). Die geometrie-auflösenden Simulationen des Einzelbrennelements beim Projektpartner TUD-ISM lassen erkennen, dass ein konvektiver Wärmeaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Brennelement-Inneren auch bei kompakter Lagerung stattfindet. Die Intensität dieses Austausches ist von der Lage des BE im Becken abhängig. Demnach ist neben der Nahordnung der Brennelemente auch ein Einfluss der Fernordnung auf die Kühlbarkeit festzustellen. Im Ergebnis der Arbeiten werden Empfehlungen für günstige Anordnungen der Brennelemente im Lagerbecken veröffentlicht.

Temperaturverteilung und horizontale Geschwindigkeitskomponente auf der Brennelementkopf-Ebene für unterschiedliche Anordnungen.
Abb. 1: Temperaturverteilung und horizontale Geschwindigkeitskomponente auf der Brennelementkopf-Ebene für unterschiedliche Anordnungen.
Vertikale Geschwindigkeitskomponente auf halber Beckenhöhe für unterschiedliche Anordnungen.
Abb. 2: Vertikale Geschwindigkeitskomponente auf halber Beckenhöhe für unterschiedliche Anordnungen.

Danksagung

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

BMBF-Förderung


Publikationen

R. Oertel, E. Krepper, D. Lucas
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

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

R. Oertel, E. Krepper, D. Lucas
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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Ronald Oertel
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