Subcooled Two-Phase Flow Heat Transfer in Multiscale Systems
Creators: name: Sonntag, Martin
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017

description: Das Abführen von Nachzerfallswärme ohne Verwendung externer Energiequellen wird für
Reaktoren der kommenden Generation vorgeschlagen. Diese passiven Sicherheitssysteme
basieren meist auf Naturkonvektion oder Wärmrstrahlung zur Abfuhr der Nachzerfalls-
wärme.
Das so genannte In Vessel Retention (IVR) Konzept sieht das Fluten der Reaktorgrube mit
Kühlwasser im Falle eines Schwerunfalls vor. Das Kühlwasser wird in einem Tank vorge-
halten, der auf einem höheren Niveau als der Reaktordruckbehälter (RDB) angebracht ist.
Die Nachzerfallswärme soll über eine Zweiphasenströmung um die äußere Wand des RDB
und durch den Vorratstank abgeführt werden. Der Anteil des Kühlwassers, der verdampft
wurde, wird vom Rest der Strömung getrennt. Er kondensiert folgend an Bauteilen im
Inneren des Containments oder dessen Wänden. Das Kondensat wird gesammelt und dem
Vorratstank wieder zugeführt.
Für Reaktoren mit einer elektrischen Leistung von über 1 GW ist fraglich, ob der RDB
dadurch ausreichend gekühlt werden kann. Der limitierende Faktor ist hierbei die kri-
tische Wärmestromdichte an der RDB Außenwand. Die größte Wärmestromdichte wird
von einer dünnen metallischen Schicht mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit oberhalb der
geschmolzenenen Oxidschicht erwartet.
Dies führt auf folgende Herausforderungen bei der Simulation eines passiven IVR Systems,
die in dieser Studie bearbeitet werden:
• Zweiphasenströmung mit Wärmeübergang von der RDB Außenwand zum Kühlwasser.
Um den Zweiphasenwärmeübergang und die Evaporationsraten zu simulieren, wurde
ein neues Modell vorgeschlagen. Das Modell basiert auf einer anerkannten eindimen-
sionalen Korrelation und erweitert diese für die Implementierung in einen dreidi-
mensionalen Zweiphasen-CFD Kontext. Das Modell und dessen Implementierung
wurden durch Nachrechnen von Experimenten aus der Literatur validiert.
• Wärmestromdichten-Verteilung an der äußeren RDB Wand. Krustenbildung im in-
neren des Oxid-Pools und das partielle Schmelzen der RDB Wand haben großen
Einfluss auf die Wärmestromdichte-Verteilung an der RDB Außenwand. Des Wei-
teren spielen die Interaktion zwischen der metallischen Schicht, der RDB-Wand und
des Oxid-Pools eine wichtige Rolle.
• Integrales Verhalten des gesamten Kühlsystems. Um das integrale Systemverhalten
des Kühlsystems, wie das Verhalten des Massenstroms bei unterschiedlichen Randbe-
dingungen zu untersuchen, muss das gesamte System simuliert werden. Um dies
durchführen zu können wurde ein System Thermo Hydraulic Code (STH) mit einem
dreidimensionalen CFD Code gekoppelt.
Die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit beinhalten die Entwicklung und Anwendung eines
robusten Modells zur Vorhersage des Wärmeübergangs für unterkühltes Blasensieden.
Des weiteren wurde gezeigt, dass die Kopplung eines eindimensionalen STH-Programs mit einem dreidimensionalen CFD-Code für Zweiphasenströmungen möglich ist. Mit
einem einfachen Modell für Schmelz- und Verferstigungsvorgägne konnte das hydrodyna-
mische Verhalten eines Schmelzpools nachgerechnet und mit existierenden eindimensional-
en Berechnungen verglichen werden. Schließlich zeigte die Anwendung der entwickelten
Simulations Tools auf ein prototypisches passives IVR System, dass die Einlassunterkühl-
ung des Kühlwassers einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsstabilität unter Natur-
umlauf hat.