Variable-density swirl-enhanced mixing within the lower plenum of high-temperature nuclear reactors

Abstract

With recent progress in high-temperature pebble-bed reactor programs research focus has started to include more ancillary engineering issues. One very important aspect for the realizability is the mixing of hot and colder helium in the reactor lower plenum. Under nominal operating conditions, depending on core design, the temperature of hot gas leaving the core can locally differ by up to 210°C. Due to material limitations, these temperature differences have to be reduced to at least 15°C at the turbine inlet, or heat exchanger inlet, by mixing in the lower plenum. To achieve this, swirling flows can be used. Several reduced-size air experiments have been performed to demonstrate the ability, but their applicability to modern commercially sized reactors is not certain. With the rise in computing power CFD simulations can be performed in addition, but advanced turbulence modelling is necessary due to the highly swirling and turbulent nature of this flow. The presented work uses the geometry of the German HTR-Modul which consists of an annular mixing channel and radially arranged ribs. Using the commercial CFD code ANSYS CFX, a detailed analysis of the complex 3D vortical flow phenomena within this geometry has been made. Several momentum transport turbulence models, e.g. the classical k-e model, advanced two-equation models and Reynolds-Stress Models were compared with respect to their accuracy for this particular flow. In addition, the full set of turbulent scalar flux transport equations was developed, validated and implemented for modelling the three components of turbulent transport of enthalpy separately and were compared with the standard turbulent Prandtl number approach. As expected from previous work in related fields of turbulence modelling, the differences in predicting the mixing performance between models were significant. Only the full Reynolds-Stress model coupled with the scalar flux equations was able to reproduce the experimentally observed reduction of mixing efficiency with increasing Reynolds number. The correct scaling of mixing efficiencies demonstrates that the utilized turbulence models are able to reproduce the physics of the underlying flow. Hence they could be employed for the scaling and optimization of the lower plenum geometry. The results also showed that the original geometry used for the HTR-Modul is insufficient to provide adequate mixing, and hence for future reactor designs adequate mixing might not be guaranteed. Based on this work, an optimization for future lower plenum geometries has become feasible.

Mit dem Fortschritt in der Entwicklung von Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktoren und prismatischen Blockhochtemperaturreaktoren, als Teil der internationalen Forschungsprogrammen zu Generation IV Nuklearreaktoren, richtet sich der Fokus aktueller Forschungsbemühungen mehr und mehr auf sekundäre Bereiche, abseits der Thermo-Hydraulik des Reaktorkernes. Zur Realisierung von Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktoren (HTR) ist hierbei ein wichtiger Aspekt die Vermischung von heißem und kaltem Helium im unteren Plenum des Reaktordruckbehälters. Je nach Reaktordesign und -auslegung betragen die Temperaturunterschiede der aus dem Reaktorkern austretenden Gase bei Normalleistung bis zu 210°C. Um den Verschleiß und die Belastbarkeit von nachgeschalteten etwaigen Heliumturbinen oder Dampferzeugern zu minimieren, müssen diese Temperaturunterschiede, bei heute verfügbaren Bauteilen und Materialien, auf weniger als 15°C reduziert werden. Um diese Vorgabe zu erreichen, wurden in der Vergangenheit mehrere kleiner skalierte Luftexperimente mit starker Drallströmung durchgeführt, um die Machbarkeit dieser Vermischung zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen, wenn hochskaliert auf reale Reaktorgrößen wie auch Bedingungen, weisen auf die grundsätzliche Machbarkeit dieser Vermischung hin, aber die Anwendbarkeit und Skalierung dieser Experimente im Einzelnen auf moderne Reaktoren, wie sie sich momentan in Entwicklung befinden, ist nicht garantiert.

Aufgrund der rasanten Entwicklung der Computer-Rechenleistung ist es nun möglich diese Strömung ebenfalls mittels CFD, wobei hier im Besonderen auf die genaue Modellierung der stark verdrallten turbulenten Strömung mittels geeigneten Turbulenzmodellen zu achten ist, zu untersuchen. Die hier vorgestellte Arbeit basiert auf der Geometrie des HTR-Moduls welche aus einem Ringsammelkanal mit radial nach innen gerichteten rippen ähnlichen Hohlräumen besteht. Mittels des CFD Softwarepacketes ANSYS CFX konnte eine detaillierte Analyse der unteren Plenumsströmung mit ihren komplexen, dreidimensional verdrallten Strömungsphänomenen erbracht werden. Es wurden mehrere Turbulenzmodelle, z.B. klassisches k-ε, shear stress transport und Reynoldsspannungsmodelle, für die Impulsgleichungen ausgewählt und bezüglich ihrer Modellierungsgenauigkeit zu der vorherrschenden Strömung miteinander verglichen. Zur Modellierung des turbulenten Transports der Enthalpie wurden zusätzlich Transportgleichungen der turbulenten skalaren Flüsse entwickelt, implementiert und mittels bekannten Testfällen aus der Turbulenzmodellierung validiert. Diese Modelle wurden mit der herkömmlichen Methode der Modellierung der turbulenten Diffusion mittels des Wirbelviskositätsansatzes und der Annahme einer turbulenten Prandtl Zahl verglichen. Es zeigten sich erhebliche Unterschiede in den Ergebnissen zwischen den verschiedenen Turbulenzmodellen. Einzig das Reynoldsspannungsmodell kombiniert mit dem skalaren Flussmodell war in der Lage die experimentellen Ergebnisse der Luftexperimente zum unteren Plenum des HTR-Moduls mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren. Besonders die Skalierung der Mischeffizienz mit variabler Reynoldszahl ist hierbei hervor zu heben, welche nur mittels Reynoldsspannungsmodellen (RSM) im Vergleich mit den Experimenten reproduziert werden konnten.

Mit dem Nachweiß der Skalierbarkeit in Abhängigkeit der Reynoldszahl mittels des eingesetzten Turbulenzmodells, ein RSM in Kombination mit skalarem Flussmodell, kann induziert werden, dass die vorherrschende Physik der drallbehafteten turbulenten Mischvorgänge richtig reproduziert worden sind. Beim Anwenden dieses Turbulenzmodells auf die realen Bedingungen des HTR-Moduls wurde eine Verschlechterung der Mischeffzienz wie auch eine Erhöhung des Druckabfalls gegenüber den erwarteten Werten aus der Extrapolation der experimentellen Werten beobachtet. Diese Unterschiede beruhen auf eine zu stark vereinfachte Methode der Extrapolation in den publizierten Experimenten in Kombination mit nicht optimal gewählten Betriebspunkten. Auf der Basis dieser Arbeit können nun verbesserte Luft-Experimente für zukünftige HTRs aufgebaut werden. Die Ergebnisse für den HTR-Modul zeigen weiterhin, dass die Mischeffzienz der ursprünglich gewählten Geometrie unter Umständen nicht ausreichend ist, und dass das Reduzieren der Temperaturunterschiede in zukünftigen Reaktoren unter Umständen problematisch werden kann. Die in dieser Arbeit vorgestellten Modellierungsmethoden wie auch die implementierten Turbulenzmodelle ermöglichen nun die Optimierung des unteren Plenums für zukünftige Reaktoren.