Modellierung des Strömungsverhaltens in einem HPLWR-Brennelement mit Drahtwendelabstandshaltern

Abstract

Die vorliegende Arbeit hat die numerische Modellierung des Strömungsverhaltens in einem HPLWR-Brennelement mit Drahtwendelabstandshaltern zum Gegenstand. Bei dem HPLWR handelt es sich um eine thermische Variante eines Kernreaktors, wobei überkritisches, leichtes Wasser sowohl als Kühlmedium als auch zur Moderation der Neutronen verwendet wird. Aufgrund der geometrischen und thermohydraulischen Anforderungen werden Drahtwendeln als Abstandshalterkonzept eingesetzt, welche helixförmig um die Brennstäbe gewickelt sind. Somit unterscheiden sich die Brennelemente in ihren Eigenschaften erheblich von denen bestehender Druck- und Siedewasserreaktoren. Die Anwendung von etablierten Unterkanalprogrammen ist nicht vorbehaltlos möglich, da die zur Schließung der vereinfachten, eindimensionalen Erhaltungsgleichungen verwendeten Modelle nicht auf die vorliegende spezielle Brennelementgeometrie kalibriert sind. Dafür wären aufwändige und teure Experimente notwendig. Ferner sind diese Programme mit ihren sogenannten Schließungsgleichungen zum Teil nicht in der Lage, die komplexen Strömungsverhältnisse vollständig zu bestimmen. Als Alternative zum Stand der Technik wird im Rahmen dieser Arbeit eine innovative Methode zur numerischen Berechnung von Strömungen auf groben Rechengittern konsistent erarbeitet. Sie basiert auf den in kommerziellen Rechenprogrammen (hier: STAR-CD 3.26) gelösten, dreidimensionalen Erhaltungsgleichungen. Da ein räumlich ähnlich grober Diskretisierungsgrad wie bei Unterkanalprogrammen zur Verkürzung der Rechenzeiten Verwendung findet, müssen auch hier integrale, nicht aufgelöste Effekte innerhalb einer Rechengitterzelle in geeigneter Weise über zusätzlich eingeprägte Volumenkräfte berücksichtigt werden. Durch die Anwendung von detaillierten RANS-Simulationen zur Bestimmung der lokalen Strömungsverhältnisse im HPLWR-Brennelement ist die Auswertung der angesprochenen Kräfte numerisch exakt über die Evaluation der auf die Struktur wirkenden Oberflächenkräfte bzw. der Flusskräfte der Strömungsgrößen durch die Kontrollraumbegrenzungsflächen möglich. Die RANS-Methoden wurden mit einem Experiment für hexagonale Stabanordnungen validiert und mit einer LES für die gleiche Geometrie verifiziert. Um die Zusatzinformationen über einen weiten Anwendungsbereich und für beheizte Strömungen zur Verfügung zu stellen, wurden entsprechende Parameterstudien in den RANS-Simulationen vorgenommen und ausgewertet. Die Einsetzbarkeit der vorgestellten Methode wird anhand eines generischen Falles demonstriert.

The subject of the present work is the numerical modeling of the fluid flow in a HPLWR fuel assembly with wire wraps. The HPLWR is a thermal design concept where super-critical light water is used for both neutron moderation and cooling. Because of geometrical and thermal-hydraulic requirements, wires were chosen as grid spacers which are helically wrapped around each cladding. Due to this fact, the fuel assemblies differ significantly from typical PWR and BWR designs. The use of well established sub-channel codes is not implicitly possible because the additional empirical or semi-empirical terms acting as closure models for the simplified one-dimensional conservation equations are not calibrated on the present fuel assembly geometry. Due to the lack of existing data, complex and expensive experiments would be needed for this purpose. Furthermore, such codes with their inherent set of equations are to some extend not capable to accurately reproduce the complex flow regimes. As an alternative approach to the state-of-the-art technology, an innovative and consistent method is developed to numerically determine the flow field on coarse grids. It is based on the three-dimensional conservation equations implemented in the commercial software package STAR-CD 3.26. Since the spatial resolution is similar to sub-channel codes in order to reduce computational costs, integral and not resolved sub-grid effects have to be accounted for in an appropriate way by the introduction of additional volume forces acting as closure terms. With the use of detailed RANS simulations to reproduce the local flow regime in the HPLWR fuel assembly, these forces can be determined in a numerically exact way. For this reason, the loads acting on the solid structure or the fluxes of flow quantities over the borders of the control volumes have to be evaluated. The RANS method is validated against an experiment with hexagonally arranged fuel rods and verified with a LES for the same geometry. In order to ensure a braod applicability of the volume forces also for heated cases, appropriate parametric studies have been performed and evaluated. The applicability of the new method is demonstrated on a generic case.