Numerical Studies of Nuclear Containment Spray Process by Stochastic Field Method and CGCFD approach
Creators: name: Yu, Fujiang
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: Die Kernenergie ist eine der grundlegenden Technologien zur Deckung des weltweiten Stromversorgungsbedarfs. Aufgrund des geringen CO2-Ausstoßes, welcher durch Kernenergie verursacht wird, stellt die Kernenergie in den Augen der Befürworter eine der bedeutendsten Optionen im neuen Jahrhundert dar. Die nukleare Sicherheit ist das entscheidende Thema beim Betrieb von Kernreaktoren und bei der (Weiter-) Entwicklung von Reaktorkonzepten, da die Zerfallsprodukte der Kernspaltungsreaktion eine hohe Radiotoxizität aufweisen. Unter allen Fragestellungen der nuklearen Sicherheitsforschung bleibt die Vorhersagegenauigkeit von nuklearen Sicherheitsanalysen eines der wichtigsten Themen. In den letzten 60 Jahren ereigneten sich drei schwere nukleare Unfälle, die enormen Schaden verursacht haben. Betroffen war nicht nur das Leben einzelner, sondern der Zusammenhalt der ganzen Gesellschaft. Bei der jüngsten nuklearen Katastrophe von Fukushima Daiichi wird fest davon ausgegangen, dass die im Sicherheitsbehälter aufgetretene Wasserstoffexplosion der ursächliche Auslöser für die schlussendliche Freisetzung von Radioaktivität an die Umgebung war. Im Falle schwerer Störfälle stellt das nukleare Containment die letzte Schutzbarriere des Kernkraftwerks gegenüber der Umgebung dar. Dieses Containment ist einer lang anhaltenden Erwärmung und hohen Drücken ausgesetzt. Um zu verhindern, dass der Sicherheitsbehälter während eines nuklearen Unfalls versagt, werden Sprühsysteme eingesetzt, welche die Atmosphäre im Sicherheitsbehälter kühlen. Aus diesem Grund betrachtet diese vorgelegte Dissertationsschrift den Themenkomplex der Sprühkühlungsmodellierung zur Eindämmung der Folgen schwerer nuklearer Störfälle. Bei der Analyse der Vorgänge während eines Störfalls stellt schon alleine die ausgedehnte räumliche Dimension eines Kernkraftwerks und dessen Containments den Wissenschaftler vor Herausforderungen. Traditionell wird auf einen experimentellen Ansatz zurückgegriffen, wenn Sprühprozesse im Containment untersucht werden. Allerdings treiben die hohen Kosten, für den Bau geeigneter Versuchsanlagen und die Durchführung von Messkampagnen, die Projektkosten von Kernkraftwerksneubauprojekten erheblich in die Höhe. Andererseits, mit der stetig wachsenden Leistungsfähigkeit von Computern, wird die numerische Berechnung mittels der Computational Fluid Dynamics (CFD) im Konstruktionsprozess immer beliebter. Das Fehlen hinreichend zuverlässiger physikalischer Sprühstrahlmodelle und die nach wie vor unbefriedigende Effizienz bei der Vorhersage von großräumigen Problemen, schränken jedoch die Anwendung von CFD in Sprühkühlungsstudien zur Begrenzung der Unfallfolgen bei schweren nuklearen Störfällen ein. In dieser Arbeit wird die Analyse von Spühstrahlen im Containment eines Kernreaktors unter besonderer Berücksichtigung zweier Aspekte betrachtet: Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Für die Mission „Zuverlässigkeit“ wird ein geeigneter Modellierungsansatz für Sprühnebel, welcher auch auf bei räumlich ausgedehnten Problemen anwendbar ist, abgeleitet. Darüber hinaus wird diskutiert wie die Turbulenz-Tröpfchen-Wechselwirkungen beschrieben werden kann. Der Lagrange-Ansatz, der Mischungsansatz und der Euler-Ansatz zur Modellierung der diskreten Flüssigkeitströpfchen werden auf drei verschiedene Arten diskutiert und verglichen, um eine geeignete Modellwahl zu treffen. Die Modellierung von Austauschtermen für Masse-, Impuls- und Energie wird vorgestellt und diskutiert. Eine geeignete thermophysikalische Modellierung, einschließlich eines neuen Gasfilm-basierten Verdampfungsmodells, wird vorgestellt. Nachdem der geeignetste Modellierungsansatz für den Sprühprozess abgeleitet wurde, wird der Umgang mit den nichtlinearen Eigenschaften des turbulenten Transports von Sprühtröpfchen weiter diskutiert. Die PDF-Methode wird detailliert vorgestellt. Für großskalige Sprühkühlungsprobleme wird die Anwendung einer Euler‘schen Realisierung, der stochastischen Feldmethode, ausführlich diskutiert. Dabei gilt der Handhabung von Stoff- und Wärmeübertragung ein besonderes Augenmerk. Für die Geschwindigkeitsmission wird eine kürzlich entwickelte Coarse Grid CFD-Methode vorgestellt und diskutiert. Mit dieser lassen sich Probleme effizient vorhersagen, indem vorausgehende detaillierte Simulationsdaten gut genutzt werden, um insbesondere Grobstrukturmodelle für die Flussterme in den Gleichungen abzuleiten. Eine neue physikalisch basierte Flusskorrektur wird eingeführt und mit dem ursprünglichen geometrischen Flusskorrekturansatz verglichen. Einige Techniken zur Behandlung singulärer Probleme in der Coarse Grid CFD-Simulation werden ebenfalls diskutiert. Im Fallstudienteil wird zunächst der THAI-Benchmark zur Validierung des Sprühmodellierungsansatzes verwendet. Zusätzlich wird ein Trocknergehäuse mit ähnlichen geometrischen und physikalischen Eigenschaften betrachtet. Bewertet wird die stochastische Feldmethode zur Berücksichtigung turbulenter Wechselwirkungen mit Sprühtröpfchen. Zuletzt wird die Coarse Grid CFD mit einem physikalisch basierten Flusskorrekturansatz validiert. Betrachtet wird als kerntechnische Anwendung ein prototypisches Brennelementbündel mit Drahtwendelabstandshalter. Im Ausblick wird der Trocknerfall erneut untersucht, um die Kombination aller oben diskutierter Ansätze für die Sprühstrahlsimulation bei typischen Betriebsparametern zu testen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Arbeit einerseits die Praktikabilität eines Euler‘schen Ansatzes in Form der Stochastischen Feldmethode zur Bereitstellung zuverlässiger Simulationsergebnisse demonstriert und andererseits die Eignung der Coarse Grid CFD für schnelle Vorhersagen bei großen Problemen zeigt.