Experimentelle Untersuchungen der Kühlbarkeit prototypischer Schüttungskonfigurationen unter dem Aspekt der Reaktorsicherheit

Abstract

Im Fall eines schweren Störfalls in einem Leichtwasserreaktor kann eine anhaltende Kühlwasserunterversorgung des Reaktorkerns zu einer Überhitzung der Brennelemente und schlussendlich zu einer Zerstörung des Reaktorkerns führen. Unter diesen Bedingungen kann in verschiedenen Stadien des Störfalls eine Schüttung wärmefreisetzender Partikel unterschiedlicher Größe und Form durch Fragmentation des geschmolzenen Reaktorkerns entstehen. Die langfristige Kühlbarkeit solcher Schüttungen ist von entscheidender Bedeutung, um eine Beschädigung des Reaktordruckbehälters oder gar eine Freisetzung von Spaltprodukten an die Umwelt zu vermeiden. Um weitere Kenntnisse des thermohydraulischen Verhaltens solcher Schüttungen zu erlangen, wurden im Rahmen dieser Arbeit spezifische Experimente unter prototypischen Bedingungen an der bestehenden DEBRIS-Versuchsanlage durchgeführt. In stationären Siedeexperimenten wurden die Druckgradienten in Schüttungen sowohl für ein- als auch für mehrdimensionale Kühlwasserströmungsbedingungen gemessen und miteinander verglichen, um das Strömungsverhalten in der Schüttung zu beurteilen. Für diese unterschiedlichen Strömungsbedingungen wie auch für geschichtete Schüttungskonfigurationen wurden die maximal abführbaren Wärmestromdichten in den Dryout-Experimenten bestimmt. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass eine axiale Schichtung der Permeabilität die Kühlbarkeit der Schüttung signifikant reduzieren kann. Erstmals wurde das Abkühlungsverhalten trockener, überhitzter Schüttungen bei erhöhtem Systemdruck bis zu 0,5 MPa untersucht. In diesen Experimenten wurde der Einfluss des Systemdrucks auf die Kühlbarkeit anhand der Quenchzeit (Zeitdauer zur Abkühlung der Schüttung auf Sättigungstemperatur) quantifiziert. Die untersuchten Schüttungen bestanden überwiegend aus nicht kugelförmigen Partikeln mit genau definierter Geometrie (Zylinder und Schrauben). Es wurde gezeigt, dass der Einfluss der Partikelgeometrie auf die Strömung in der Schüttung am besten berücksichtigt werden kann, wenn ein äquivalenter Partikeldurchmesser verwendet wird, der für monodisperse Schüttungen aus dem Produkt des Sauter-Durchmessers und eines Formfaktors und im Fall einer polydispersen Schüttung anhand des oberflächengemittelten Durchmessers berechnet wird. Begleitende exemplarische Modellrechnungen konnten die Anwendbarkeit des MEWA-Codes zur Beurteilung der Kühlbarkeit sowohl wassergesättigter als auch trockener Schüttungen bestätigen. Dennoch sollten die implementierten Reibungsmodelle verbessert werden, um die Druckgradienten von Zweiphasenströmungen in Schüttungen besser vorhersagen zu können.