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Vorhersage kritischer Siedezustände in Brennelementstrukturen von Leichtwasserreaktoren bei variablem Druck
(2009) Behnke, Lars; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Im Rahmen des europäischen Projektes "High Performance Light Water Reactor" (HPLWR) wird derzeit ein neues Konzept eines Leichtwasserreaktors mit überkritischen Dampfzuständen untersucht. Durch den hohen Betriebsdruck von 25 MPa und der Dampfaustrittstemperatur von über 500°C ergeben sich im Vergleich zur heutigen Generation von Kernkraftwerken erhebliche konstruktive Einsparungen. Durch die Möglichkeit, den HPLWR auch im Teillastbereich effizient betreiben zu können, ergäben sich zudem neue Möglichkeiten für die Einsatzplanung der Kraftwerke. Bei der sich hierfür anbietenden Fahrweise im Gleitdruckbetrieb kommt es jedoch im Kern zwangsläufig zu einer Zweiphasenströmung und zum Auftreten der damit verbundenen Wärmeübertragungsphänomene, wie z.B. kritische Siedezustände, die im Extremfall zur Zerstörung der Brennstäbe führen können und deren zuverlässige Vorhersage daher bereits während der Auslegung des HPLWR außerordentlich wichtig ist. Daraus ergibt sich die Motivation, eine Vorhersage dieser kritischen Phänomene mit Hilfe eines Programms zur Unterkanalanalyse zu ermöglichen. Durch die systematische Erweiterung eines verfügbaren Unterkanalanalyseprogramms mit allgemeinen, auf verschiedene Geometrien und über den nahezu gesamten Druckbereich unterhalb des kritischen Punktes von Wasser anwendbaren Korrelationen und Modellen sowie deren anschließenden Validierung anhand experimenteller Daten konnte ein solches Werkzeug, das im Rahmen der Auslegung des HPLWR verwendet werden kann, entwickelt werden. Die Vergleiche der berechneten Werte mit experimentellen Daten zeigen, dass Berechnungen speziell kritischer Siedezustände innerhalb des Gültigkeitsbereiches der implementierten Korrelationen mit einer Mittelabweichung zwischen 1,9% und 4,8% und einer Standardabweichung von dabei maximal 10,2% möglich sind. Somit sind verfahrenstechnische Auslegungen von Versuchen in HPLWR-typischen Geometrien und Zweiphasenströmungen mit Wärmeübertragung und kritischen Siedezuständen prinzipiell möglich. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse scheint ein Teillastbetrieb nach dem Gleitdruckprinzip mit einem Single-Pass Kern für den HPLWR nicht möglich.