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Thomas Geißler
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Fax: +49 351 260 - 13227

Prof. Dr. Uwe Hampel
Head
u.hampel@hzdr.de
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Fax: 12772, 2383

Experimentelle und theoretische Untersuchung der Siedekrise

Hintergrund

Wärmeübertragung durch Verdampfung ist der wohl effektivste Wärmeübertragungsmechanismus. Dieser spielt sich unter Anderem im Reaktorkern eines nuklearen Kraftwerkes ab. Dabei kommt der Vermeidung des Auftretens der Siedekrise eine besondere Bedeutung zu.

Während des Verdampfungsprozesses treten unterschiedliche Wärmeübertragungsregime auf (siehe Abbildung). Mit steigendem Wärmestrom werden die Mechanismen Naturkonvektion, partielles Blasensieden und voll ausgebildetes Blasensieden durchlaufen. Übersteigt der Wärmestrom einen kritischen Betrag, die kritische Heizflächenbelastung (KHB) oder Siedekrise 1. Art, kommt es zu einer Dampffilmbildung auf der Heizfläche. Durch die isolierende Wirkung des Dampfpolsters steigt die Temperatur der Heizfläche rasch an, z.B. die der Brennstäbe eines Kernreaktors, und die Integrität des Hüllrohrmaterials wird gefährdet. Dies muss unter allen Umständen verhindert werden. Obwohl dieses Phänomen in den letzten Jahrzenten mit großem wissenschaftlichem Aufwand untersucht wurde, um aussagekräftige Vorhersagemethoden zu gewinnen, konnte bisher kein Modell gefunden werden, welches die Siedekrise sicher unter verschiedenen Randbedingungen vorhersagen kann.



Um die Wärmeübertragung bei der Verdampfung im Reaktorkern mit Methoden der CFD zu beschreiben, müssen die komplexen hydro- und thermodynamischen Vorgänge in einem Brennelementbündel abgebildet werden. Auch in den nächsten Jahren wird diese Aufgabe stationären Rechenmodellen vorbehalten bleiben. Die erforderliche Rechenleistung für transiente Simulationen übersteigt die verfügbaren Kapazitäten. Jedoch ist der Verdampfungsprozess bei Erreichen der Siedekrise kein makroskopisch stationärer Vorgang. Deshalb muss mittels Experimenten das komplexe Zusammenspiel aus Fluidströmung und Wärmeübertragung untersucht werden, um daraus Schließungsmodelle für den Übergang von Blasen- zum Filmsieden zu gewinnen. Die eingesetzte Versuchseinrichtung nutzt das bildgebende Verfahren der ultraschnellen Röntgentomographie, welches am Institut für Fluiddynamik des HZDR entwickelt wird. Durch dieses Zusammenspiel aus experimentellen Grundlagenuntersuchungen und theoretischen Modellierungen leistet dieses Projekt einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Vorhersagequalität der Siedekrise in komplexen Geometrien.

Das Projekt

In einem Verbund mit mehreren Projektpartner aus Wissenschaft und Industrie wird der Übergang vom Blasensieden zur Siedekrise sowohl mit experimentellen als auch numerischen Methoden erforscht. Die numerische Beschreibung umfasst dabei die Modellierung der Entwicklung der Gasphase, der Blasengrößenverteilung und des Wärmeübergangs nahe der KHB mit einem Euler‑Euler Zweiphasenansatz. Basierend auf dem eingesetzten RPI-Modell zur Wärmestromaufteilung werden weitere Terme zur Beschreibung von Grenzschichtphänomenen ergänzt. Für die Beschreibung der Kernströmung mit zusammenhängenden Gasgebieten wird das hausintern entwickelte GENTOP-Modell mit der Erweiterung durch das inhomogene iMUSIG-Modell in ANSYS-CFX herangezogen. Ergänzend dazu werden Experimente in einem Kältemittelversuchsstand an Einzelrohrkonfigurationen und einem Brennstabbündelnachbau durchgeführt. Diese dienen dem vertieften Verständnis der physikalischen Modelle und der Validierung der numerischen Rechnungen.

Partner

  • Technische Universität Dresden, Deutschland
  • Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf, Deutschland
  • Technische Universität München, Deutschland
  • Karlsruher Institut für Technologie KIT, Deutschland
  • Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH), Schweiz
  • Gesellschaft für Reaktorsicherheit GRS, Deutschland
  • AREVA NP, Deutschland
  • Ansys GmbH, Deutschland

Abbildungen




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Danksagung

Diese Arbeit wird als Teil des Forschungsvorhabens  „NUBEKS“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter der Fördernummer 1501473С aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor.

Referenzen

  • T. Geißler, U. Hampel
    On the influence of local flow structure on the boiling crisis
    AMNT 2016.Hamburg.Deutschland.2016
  • W. Ding, E. Krepper, U. Hampel
    A Mechanistic model to predict the bubble departure in pool and forced convection boiling considering the sublayer
    ISACC. Shenzhen. China.2015
  • W. Ding, E. Krepper, U. Hampel
    Prediction of the bubble departure in pool and forced convection boiling considering the sublayer: a sub model of CFD approaches
    ICMF. Italia. 2016

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