Vorhersage kritischer Siedezustände in Brennelementstrukturen von Leichtwasserreaktoren bei variablem Druck

Abstract

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.

As a part of the European "High Performance Light Water Reactor" (HPLWR) project a new light water cooled reactor concept with supercritical steam conditions is being developed. Because of the supercritical system pressure of 25 MPa and steam exit temperatures in the 500°C range some of the features that are typical for today’s LWRs like water separators and steam dryers can be omitted, thus resulting in lower overall construction cost. As a direct result of the HPLWR operating also highly efficiently during part load operation new possibilities arise for utilities and their operating schedule. However, the suggested sliding pressure operation during part load to maintain a high efficiency will inevitably lead to two-phase flow in the reactor core with all the resulting two-phase flow phenomena for flow and heat transfer, also including critical heat flux phenomena which could lead to the destruction of fuel pins. Thus, a detailed investigation and of course a preferably precise prediction of these phenomena during the engineering of the HPLWR is important. Hence comes the motivation to upgrade and use proven sub-channel analysis codes to predict these phenomena for the HPLWR. By systematically upgrading an existing sub-channel analysis program with universally valid correlations that are not specific to geometry and cover almost the whole pressure range below the critical point pressure of water as well as evaluating and validating these correlations by comparing them with experimental data a useful engineering tool for further HPLWR-related experiments was created. Comparing the calculated results with the experimental data showed that especially the prediction of critical heat flux phenomena is possible within the implemented correlations’ scopes of application with a median deviation of 1.9% to 4.8% and a maximum standard deviation of 10.2%. Therefore the sub-channel analysis program modified in this work can be used for the basic design layout and engineering of experiments in HPLWR-specific geometries with two -phase flows with heat transfer and related phenomena. Based on the knowledge gained during this study, the sliding pressure operation during part load presumably is not feasible with a single-pass core HPLWR.