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Auslegung eines Brennelements für einen Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen
(2006) Hofmeister, Jan Friedrich; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
Das Konzept des europäischen Leichtwasserreaktors mit überkritischem Wasser (HPLWR – High Performance Light Water Reactor) zeigt gegenüber einem aktuellen Leichtwasserreaktor grundsätzliche Unterschiede. So herrscht im Reaktor ein Systemdruck von ca. 25 MPa und das Kühlmedium wird von 280 °C um mehr als 220 °C aufgeheizt. Auf diese Weise erreicht es eine Austrittstemperatur von mehr als 500 °C und das Kraftwerk damit einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 44 %. Das Kühlmedium verlässt den Kern aufgrund seines überkritischen Zustandes einphasig. Wasserabscheider, Dampftrockner oder Systeme für die Rezirkulation des Kühlmediums, wie bei laufenden Siedewasserreaktoranlagen üblich, sind somit nicht mehr notwendig. Des Weiteren wird der HPLWR wie ein Siedewasserreaktor nur mit einem Kühlkreislauf und einem Flusswasser- oder Kühlturmkreislauf betrieben, so dass auch auf Dampferzeuger, Druckhalter und Primärkreispumpen, wie sie in Druckwasserreaktoren gängig sind, verzichtet werden kann. Die Motivation, ein neuartiges Brennelement für den Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen zu entwickeln, liegt in den außergewöhnlichen Betriebszuständen des Reaktors. Beispielsweise variiert die Dichte im Kern bis zu einem Faktor sieben. Aufgrund der sehr niedrigen Dichte des Kühlmediums im oberen Bereich der Brennelemente wäre beispielsweise die Moderation der Neutronen mit einem konventionellen Brennelement nicht mehr ausreichend. Die Auslegung eines Brennelements mit Kopfstück, Fußstück und Abstandshalter für einen Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen wurde durchgeführt. Dabei wurde aufbauend auf den Vorüberlegungen in den Bereichen Neutronik und Thermohydraulik erstmals ein konkreter Entwurf für ein Brennelement und die dazugehörige Strömungsführung im Kern des HPLWR konzipiert. Zunächst wurde anhand einer Festigkeitsanalyse eine Durchbiegung von maximal 0,2 mm der Wände des Kastens eines Referenzbrennelements berechnet. Mit Hilfe dieser Durchbiegung und den geometrischen Abmessungen des Referenzbrennelements wurden anschließend die Wandstärken verschiedener Konzepte von quadratischen und hexagonalen Brennelementtypen mit jeweils einer oder zwei Brennstoffreihen bestimmt. Eine systematische Analyse hat gezeigt, dass ein quadratisches, zweireihiges Brennelement mit einem zentralen Wasserkasten den anderen untersuchten Konzepten überlegen ist. Um auf bewährte Technologien bestehender Anlagen zurückgreifen zu können, wurden neun dieser Brennelemente in einem 3x3-Brennelementbündel quadratisch angeordnet, so dass die Außenlänge des quadratischen Bündels den typischen Brennelementabmessungen von Druck- und Siedewasserreaktoren ähnelt. Für dieses Brennelementbündel wurden ein geeignetes Steuerstabkonzept, ein Kopfstück, ein Fußstück, ein Dampfplenum und das untere Plenum mit Kerntrageplatte und Lochplatte entwickelt. Des Weiteren wurde mittels einer Strömungsanalyse des unteren Plenums und des Fußstücks gezeigt, dass die annähernd homogene Kühlmitteltemperatur am Brennelementeintritt die Anforderungen erfüllt.
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Automotive cooling systems based on metal hydrides
(2010) Linder, Marc; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
The present work focuses on metal hydride sorption systems as an alternative technology for automotive air-conditioning systems. Although this technology offers the possibility to increase the energy efficiency of a car (by utilising waste heat) and consequently reduces the CO2 emissions, its weight specific cooling power has so far been the main obstacle for an automotive application. Based on investigations of various metal hydrides, two alloys (LmNi4.91Sn0.15 and Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5) were chosen for further investigations on different laboratory test benches. A capillary tube bundle reaction bed was applied due to its large heat transfer surface and consequently expected short cycle times. The experimental investigations were carried out systematically starting with material characterisation of each individual metal hydride (Pressure-concentration isotherm measurements, intrinsic absorption/desorption kinetics), followed by the measurement of individual reaction bed dynamics (for both alloys) and the analysis of the coupled metal hydrides (sorption system). One important result obtained from the measurements of individual reaction bed dynamics is the limitation of the fast metal hydride sorption system due to slow intrinsic desorption kinetics of the alloy working at low temperatures (cooling temperature). Therefore, the very fast AB2-type alloy (Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5) was applied at the high-pressure side (low temperatures) which allows half-cycle times of the sorption system in the range of 100 to 120 s. The corresponding specific cooling power of the sorption system is therefore around 640 W/kg related to the desorbing alloy. In comparison to the state of the art metal hydride based cooling system, the specific power of the sorption system is more than tripled which leads to a clearly reduced necessary mass of metal hydride. Based on the experimental investigations, two different metal hydride sorption systems for automotive cooling were investigated: The thermally driven sorption system (closed system) and an open system for hydrogen-fueled cars that is conceptually proposed in this work. This new metal hydride sorption system utilizes the hydrogen pressure difference between a high-pressure storage tank and the fuel cell or combustion engine. Its main advantage in comparison to the closed sorption system is the clearly reduced system complexity that is especially necessary for automotive cooling.
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Coupled neutronics thermal hydraulics analysis of a high-performance light-water reactor fuel assembly
(2006) Waata, Christine Lylin; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
The use of water at supercritical pressure as coolant and moderator introduces a challenge in the design of a High-Performance Light-Water Reactor (HPLWR) fuel assembly. At supercritical pressure condition (P=25 MPa), the thermal-hydraulics behaviour of water differs strongly from that at sub-critical pressure due to a rapid variation of the thermal-physical properties across the pseudo-critical line. Due of the strong link between the water (moderation) and the neutron spectrum and subsequently the power distribution, a coupling of neutronics and thermal-hydraulics has become a necessity for reactor concepts operating at supercritical pressure condition. The effect of neutron moderation on the local parameters of thermal-hydraulics and vice-verse in a fuel assembly has to be considered for an accurate design analysis. In this study, the Monte Carlo N-Particle code (MCNP) and the sub-channel code STAFAS (Sub-channel Thermal-hydraulics Analysis of a Fuel Assembly under Supercritical conditions) have been coupled for the design analysis of a fuel assembly with supercritical water as coolant and moderator. Both codes are well known for complex geometry modelling. The MCNP code is used for neutronics analyses and for the prediction of power profiles of individual fuel rods. The sub-channel code STAFAS for the thermal-hydraulics analyses takes into account the coolant properties beyond the critical point as well as separate moderator channels. The coupling procedure is realized automatically. MCNP calculates the power distribution in each fuel rod, which is then transferred into STAFAS to obtain the corresponding thermal-hydraulic conditions in each sub-channel. The new thermal-hydraulic conditions are used to generate a new input deck for the next MCNP calculation. This procedure is repeated until a converged state is achieved. The coupled code system was tested on a proposed fuel assembly design of a HPLWR. An under-relaxation was introduced to achieve convergence. The test results showed a satisfactory convergence with a small under-relaxation factor of 0.2. Results from the test analysis of a HPLWR fuel assembly showed an axial power profile with two peaks. A stronger peak in the lower part is caused by the strong moderation from the coolant and a weaker one in the upper part caused by moderator water. A 5% enrichment in the most inner fuel rods and lower enrichment of 4% in the corner rod was used to eliminate the hot spot at the corner of the fuel assembly and to obtain a well uniform power distribution in the fuel bundle. A well uniform temperature distribution was achieved in any cross section. A maximum temperature difference of 50°C in the upper part was obtained between the hottest and the coldest sub-channel. The local maximum cladding temperature of the bundle is within the allowable limit of 620°C.
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Experimental investigation and mechanistic modelling of dilute bubbly bulk boiling
(2013) Kutnjak, Josip; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
During evaporation the geometric shape of the vapour is not described using thermodynamics. In bubbly flows the bubble shape is considered spheric with small diameters and changing into various shapes upon growth. The heat and mass transfer happens at the interfacial area. The forces acting on the bubbles depend on the bubble diameter and shape. In this work the prediction of the bubble diameter and/or bubble number density in bulk boiling was considered outside the vicinity of the heat input area. Thus the boiling effects that happened inside the nearly saturated bulk were under investigation. This situation is relevant for nuclear safety analysis concerning a stagnant coolant in the spent fuel pool. In this research project a new experimental set-up to investigate was built. The experimental set-up consists of an instrumented, partly transparent, high and slender boiling container for visual observation. The direct visual observation of the boiling phenomena is necessary for the identification of basic mechanisms, which should be incorporated in the simulation model. The boiling process has been recorded by means of video images and subsequently was evaluated by digital image processing methods, and by that data concerning the characteristics of the boiling process were generated for the model development and validation. Mechanistic modelling is based on the derivation of relevant mechanisms concluded from observation, which is in line with physical knowledge. In this context two mechanisms were identified; the growth/-shrink mechanism (GSM) of the vapour bubbles and sudden increases of the bubble number density. The GSM was implemented into the CFD-Code ANSYS-CFX using the CFX Expression Language (CEL) by calculation of the internal bubble pressure using the Young-Laplace-Equation. This way a hysteresis is realised as smaller bubbles have an increased internal pressure. The sudden increases of the bubble number density are explainable by liquid super-heating. The liquid super-heating is only possible if the heat and mass transfer between the phases is slower than the saturation temperature reduction by hydrostatic pressure decreases along the height of the boiling container or due to bubble growth. By activation of the so far inactive micro-bubbles in the liquid bulk volume the bubble number density quickly increases. This effect is modelled by an algebraic function that uses a constant bubble number density in the vicinity of the saturation temperature and applies an exponentially increased bubble number density depending on the liquid super-heating. Based on modelling a local and variable bubble number density numerical flow simulationswere performed. The simulations showed that this approach is a suitable model to describe the mechanisms found in the experiments. Model parameters were determined and verified by correlation with the experimental data.
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Experimentelle und numerische Untersuchung von Strömungsvermischungsvorgängen in einem Rohrleitungs-T-Stück
(Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, 2021) Isaev, Alexander; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich im Rahmen der Reaktorsicherheitsforschung mit grundlegenden experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Ausbildung von Strömungsformen im Vermischungsbereich eines Rohrleitungs-T-Stücks. Der Hintergrund der Arbeit ist die reaktorsicherheitstechnische Fragestellung nach den Ursachen für das Auftreten von Ermüdungsphänomenen in Rohrleitungssystemen von Kernkraftwerken, die zu Fehlfunktionen oder Schädigungen in den Komponenten von Kühlkreisläufen führen können. Strömungsformen, die sich unter dem Einfluss von Turbulenz und Schwerkraft aufgrund hoher Temperaturdifferenzen ausbilden, können für die strömungsinduzierte Schädigung des Rohrleitungsmaterials verantwortlich sein. Stellvertretend für eine Strömung mit thermischer Vermischung wird die Strömung mit und ohne Dichteschichtung nahe einer generischen Einspeisestelle (horizontales T-Stück) in dem isotherm betriebenen MFI (engl. Mixed-Fluid-Interaction)-Teststand experimentell untersucht. Im MFI-Teststand können entsprechende Dichteunterschiede in den beiden Zuflüssen des T-Stücks mithilfe einer aufbereiteten wässrigen Salz- oder Zuckerlösung höherer Dichte eingestellt werden. Hierzu wird im Rahmen dieser Arbeit eine Möglichkeit zur Umrechnung der relevanten physikalischen Strömungsgrößen demonstriert, die auf der Verwendung von drei bzw. zwei dimensionslosen Kennzahlen basiert. Damit lassen sich Beobachtungen und Erkenntnisse der Strömungsvermischungscharakteristiken aus einer isothermen Vermischung auf einen thermischen Strömungsvermischungsvorgang übertragen. Dieser Sachverhalt ermöglicht es mithilfe von isothermen Experimenten die hydraulischen Randbedingungen für die thermischen experimentellen Untersuchungen zu identifizieren, bei denen das Risiko für eine lokale thermische Materialermüdung erhöht ist. Damit lassen sich Zeit und Kosten für die Versuchsplanung und Versuchsdurchführung für thermischer Experimente senken. Des Weiteren kompensiert die Visualisierung der thermischen Vermischungsvorgänge mithilfe der isothermen Experimente das Defizit der optischen Zugänglichkeit in der Nutzung von thermisch betriebenen Testständen. Umfangreiche qualitative experimentelle Untersuchungen zeigen auf, unter welchen Bedingungen sich eine Strömungsform mit stromauf- und abwärts gerichteter Dichteschichtung ausbildet und welche Stabilitätseigenschaften diese gegenüber der Veränderung der Randbedingungen hat. Des Weiteren erfolgen quantitative und qualitative Untersuchungen der Strahlausbildung sowie deren Einfluss auf das stromab- und stromaufgerichtet Strömungsschichtungsverhalten mittels optischer Mess- und Visualisierungstechnik. Der zusätzliche Einsatz der Gittersensormesstechnik liefert zudem zeitlich hochaufgelöste Strömungsquerschnittsstatistiken. Diese Daten ermöglichen es Strömungscharakteristiken im Hinblick auf das Risiko einer strömungsinduzierten thermischen Ermüdung des Rohrleitungsmaterials in einer ähnlichen thermischen Vermischung zu analysieren. Die beobachteten Strömungsformen werden in dimensionslosen Strömungsformkarten zusammengefasst. Mit den durchgeführten experimentellen Untersuchungen wird auf der einen Seite ein Beitrag zur Vorhersage von Strömungsformen geleistet, auf der anderen Seite fließen die experimentellen Daten in die Validierung, der im Rahmen der Arbeit durchgeführten Strömungssimulationen ein. Parallel zur experimentellen Untersuchung wird die Strömung und ihre Stabilität mit dem CFD-Simulationsprogramm OpenFOAM unter Anwendung der Grobstruktursimulation (engl. Large-Eddy Simulations-methode (LES)) berechnet. Mittels LES-Simulationen lässt sich die Analogie zwischen isothermen und thermischen Vermischungsvorgängen überprüfen und damit die Übertragbarkeit der isothermen experimentellen Ergebnisse auf thermische Versuche belegen. Die zusätzliche Identifizierung der Ursache für das Auftreten dominanter Mischungsskalarschwankungen leistet einen Beitrag zum Verständnis von turbulenten Strömungsvorgängen mit dem Risikopotential für eine thermische Ermüdung des Rohrleitungsmaterials in der Nähe einer Einspeisestelle. Die numerische Methode zur Nachbildung von thermischen Vermischungsvorgängen wird zudem mit Versuchsergebnissen, die mit der FSI (Fluid-Structure-Interaction)- Versuchsanlage der/des MPA/IKE für kraftwerksnahe Druck- und Temperaturbedingungen erhalten wurden, abgesichert.
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Numerical investigation of the turbulence mass transport during the mixing of a stable stratification with a free jet
(2011) Zirkel, Armin; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
The safety of present and future light-water reactors is a major concern of electrical utilities, politics and research institutes. During a severe accident, hydrogen can be produced by a chemical reaction between the Zircaloy cladding and water and escape into the containment through a leak in the primary circuit. The prediction of the mass transport of hydrogen is vital for an optimised positioning of countermeasures like recombiners. It is possible that a stable stratification of hydrogen and air occurs, due to the different densities of those fluids. This stratification can be mixed with a free jet. This mixing is characterised by the time dependency of the flow, sharp velocity and density gradients as well as the non-isotropy of Reynolds stresses and turbulent mass fluxes. With the use of a Reynolds stress turbulence model, the non-isotropic Reynolds stresses can be simulated. A similar approach is theoretically possible for the turbulent mass fluxes, but only the isotropic eddy diffusivity model is currently available in state-of-the-art cfd-software. The shortcomings of the eddy diffusivity model to simulate the turbulent mass flux are investigated, as well as improvements with the use of a non-isotropic model. Because of the difficulties to get experimental data of flows in real containments, the THAI experimental facility was created to get experimental data for flows in large buildings. The experiments are performed by Becker Technologies. The analysis is using the experimental data of the TH20 experiment as the reference case. For safety reasons the used light gas for the experiments is helium instead of hydrogen. Due to the rotational symmetry of the geometry as well as the boundary conditions, two-dimensional simulations are performed. The grid was built following the best practice guidelines to ensure sufficient grid quality. Several simulations were carried out to investigate the numerical error caused by spatial and time discretisation. An analysis of the currently available turbulence models shows that the eddy diffusivity model yields a poor agreement with the experimental data. This is true regardless of the used model to calculate the Reynolds stresses. Due to the time dependency of the mixing, a comparison between different simulations is not a trivial task with the exception of the time dependent helium concentration on different measuring points. Therefore a theoretical, statistically steady, two-dimensional test case was designed to enable direct comparisons of different models. With steady state results, an investigation of velocities and turbulent values, especially the turbulent mass fluxes, is possible without the need to consider the different mixing progress of a model at a given time. A large eddy simulation is performed as reference for the investigation of the non-isotropic turbulence scalar flux model, TSF-model for short. The new TSF-model is then used to simulate the transient mixing of the TH20 experiments. Results obtained with the new model are showing an improved mixing.
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Numerische Untersuchung von thermischen Vermischungsvorgängen in verschiedenen Rohrleitungskonfigurationen
(Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, 2022) Evrim, Cenk; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)
In Kraftwerken sind die Rohrleitungssysteme von Kühlkreisläufen z. T. hohen zyklisch-thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, die durch transiente Betriebsbedingungen und turbulente Strömungsvermischungsvorgänge verursacht werden. Bei einer unvollständigen Durchmischung können Strömungs- und Turbulenzphänomene vorkommen, welche zu thermischen Wechselbeanspruchungen und Spannungen im Rohrleitungsmaterial führen. Um ein potenzielles Bauteilversagen und somit ein Sicherheitsrisiko zu vermeiden, gewinnt ein genaues Verständnis über die Ursache und Entstehung einer strömungsinduzierten Schädigung zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden thermische Strömungsvermischungsvorgänge in Rohrleitungs-T-Stücken untersucht. Zunächst wurde die numerische Methodik verifiziert und anschließend mit experimentellen Daten der Fluid-Struktur Interaktionsanlage der Universität Stuttgart validiert. Die Untersuchung von Durchmischungsprozessen in verschiedenen T-Stück-Konfigurationen (eine horizontale Konfiguration und zwei vertikale Konfigurationen) ermöglicht die Erforschung von Strömungs- und Turbulenzphänomenen sowie dichtebedingten Auftriebskräften, welche sich sowohl auf das Strömungs- und das Temperaturfeld als auch auf die Temperaturschwankungen auswirken. Ein weiterer Aspekt in dieser Arbeit ist die Behandlung von Strömungsdurchmischungsvorgängen mit hohen Reynoldszahlen. Zusätzlich werden die resultierenden Strömungsformen hinsichtlich des Transports und der Dämpfung von thermischen Schwankungen an der unmittelbaren Fluid-Struktur-Grenzfläche untersucht. In dieser Arbeit werden wandaufgelöste Large-Eddy-Simulationen (LES) unter Berücksichtigung der thermischen Fluid-Struktur-Interaktion durchgeführt. Durch die Auflösung der großskaligen, energiereichen Strukturen eignet sich die Methodik der LES zur Untersuchung von zyklischen Schwankungen, wodurch zusätzlich die dreidimensionalen Wirbelstrukturen und das Energiespektrum der Turbulenz einschließlich der niederfrequenten Oszillationen vorhergesagt werden können. Die numerischen Ergebnisse demonstrieren, dass Vermischungsvorgänge mit hohen Richardsonzahlen in verschiedenen T-Stück-Konfigurationen zu unterschiedlichen Strömungsformen führen. Eine Verringerung der Richardsonzahl hat zur Folge, dass geringe Gravitationskräfte auf die Strömung wirken. Dadurch bilden sich in verschiedenen T-Stück- Konfigurationen ähnliche Strömungsmuster aus. Die Erhöhung der Reynoldszahl führt zum Transport der Fluktuationen näher zur inneren Rohrwand, wodurch das periodische Strömungsverhalten ein erhöhtes Risiko für eine thermische Ermüdung darstellt. Die zeitliche Auflösung des Strömungsfelds zeigt neben der Wirbelablösung auch die Entwicklung von Hufeisenwirbeln im Vermischungsbereich. Des Weiteren bilden sich im Rezirkulationsgebiet gegenläufige Wirbelpaare aus, deren Form und Größe wesentlich von den Strömungsbedingungen abhängt. Die Charakterisierung der zyklisch wiedergekehrenden Temperaturänderungen und den natürlich auftretenden Frequenzen führt zu einem besseren Verständnis von thermischen Vermischungsvorgängen in komplexen Strömungen und liefert einen Beitrag zur Identifikation einer strömungsinduzierten thermischen Ermüdung des Rohrmaterials.