Simulation tropfenbeladener Strömungen im Sicherheitsbehälter eines Druckwasserreaktors

Abstract

Während eines Störfalls mit unkontrolliertem Kühlmittelaustritt (Wasser) durch ein Leck im Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors kommt es zur instantanen Verdampfung des Kühlmittels. Die Verdampfung des Kühlmittels geht mit einer Druck- und Temperaturerhöhung im gesamten Sicherheitsbehälter einer kerntechnischen Anlage einher. Zusätzlich zum Kühlmittelaustritt kann radioaktives Kerninventar in Form von Partikeln aus dem Leck austreten, wenn Kernbauteile durch den Störfall beschädigt worden sind. Die Partikel können sich zusammen mit Wasserdampf im Anlagen- und Betriebsraum des Sicherheitsbehälters verteilen. Um die mechanische Belastung des Sicherheitsbehälters durch Druck und Temperatur zu reduzieren, werden im oberen Bereich des Behälters installierte Wasserspraysysteme verwendet, die während eines Störfalls aktiviert werden können. Die Spraysysteme injizieren kaltes Wasser und reduzieren durch Kondensation von Wasserdampf die thermische Belastung des Sicherheitsbehälters. Zudem kann durch das eingebrachte Spray der Anteil an Aerosolpartikeln in der Gasatmosphäre durch Auswaschung reduziert werden. Sprayanwendungen im Sicherheitsbehälter führen im Allgemeinen zu einer Homogenisierung der unterschiedlichen Gasbestandteile im eingeschlossenen Volumen. Um einen solchen Störfall numerisch simulieren zu können, stehen Simulationswerkzeuge in Form kommerzieller Computational Fluid Dynamics (CFD) Programme zur Verfügung. CFD basiert auf sogenannten ’first principles’, darunter versteht man die Beschreibung von Strömungsvorgängen mittels Erhaltungsgleichungen für die Masse, die Energie und den Impuls. Werden kommerzielle CFD Programme im Bereich der Reaktorsicherheitsforschung angewendet, müssen diese Programme um thermohydraulische Modellbeschreibungen ergänzt werden. In der vorliegenden Arbeit werden physikalische Modelle zur Simulation von Spraykühlung und Aerosolpartikelauswaschung im Sicherheitsbehälter einer kerntechnischen Anlage beschrieben, die im Rahmen der Untersuchungen entwickelt wurden. Beide Modelle verwenden als Basis zur mathematischen Beschreibung ein Euler-Euler Zwei-Fluid Modell und werden über eine Benutzerschnittstelle in das kommerzielle CFD Programmpaket ANSYS CFX implementiert. Die Validierung erfolgt mit zwei geeigneten Experimenten (HD-31-SE und AW4), die im deutschen Modellsicherheitsbehälter THAI durchgeführt wurden. In den Validierungssimulationen werden verschiedene Tropfen- und Partikelgrößenverteilungen untersucht, um die Realität so nahe wie möglich abzubilden. Um die Anwendung der entwickelten Modelle auf einen realen Sicherheitsbehälter einer kerntechnischen Anlage zu untersuchen, wird eine CFD Simulation in einem generischen Druckwasserreaktor vom deutschen Typ KONVOI durchgeführt. Das generische Modell des KONVOI wird durch ein fiktives Spraysystem ergänzt und berücksichtigt die realen Abmaße des Sicherheitsbehälters mit Betriebs- und Anlagenraum. Es wird gezeigt, dass eine Kombination aus beiden Modellen technisch in ANSYS CFX möglich ist und die Anwendung in einem realen Sicherheitsbehälter plausible physikalische Ergebnisse liefert.