Numerical Simulation of Fluid-Structure Interaction during the Expansion Phase in Sodium Cooled Fast Reactors
Creators: name: Hartig, Maximilian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019

description: Im Falle einer schweren Störung können natriumgekühlte, schnelle Reaktoren (Sodium Cooled Fast Reactors, (SFR)s) eine teilweise Zerstörung des Reaktorkerns erfahren. Die veränderte Zu- sammensetzung von spaltbarem Material nach einem solchen Hypothetical Core Disruptive Ac- cident (HCDA) kann zu einer prompt kritischen Konfiguration führen. Die resultierende Lei- stungsexkursion verdampft einen Teil des Kerns und der sich bildende Dampfdruck treibt ge- schmolzenen Brennstoff aus dem Kernbereich in das Kühlmittelbecken, was dort zu einer Damp- fexplosion führt. Während dieser Expansionsphase beschleunigt die Kühlmitteldampfblase einen Natriumpfropfen, der auf den Reaktordeckel auftrifft und die Integrität des Reaktorbehälters herausfordert. Der Entwicklungsprozess eines SFR umfasst Studien zu solchen extrem unwahrscheinlichen Er- eignissen mit speziell hierfür entwickelten Severe Accident Codes. Ziel dieser Analysen ist es, die Anfälligkeit eines neuen Rektorenkonzepts für die Entstehung eines HCDA zu bestimmen und die Schwere des potenziell daraus resultierenden Unfalls abzuschätzen. Fluidtransienten, Ener- giefreisetzungsrate und strukturelle Verformung interagieren während der Expansionsphase eines HCDA. Aktuelle Severe Accident Codes wie SIMMER, die zur Analyse der Expansionsphase von SFRs verwendet werden, vernachlässigen die Fluid-Struktur-Interaction (FSI) zwischen Kühlmit- telpfropfen und Behälterwand unter Annahme einer starren Geometrie. Spezielle FSI-Codes wie EUROPLEXUS hingegen, die auch im Rahmen von Analysen zu Expansionsphasen in SFRs ver- wendet werden, greifen auf vereinfachte Modelle für die Energiefreisetzungsrate zurück. Codes, die alle drei Aspekte des Problems mechanistisch beschreiben, waren bisher nicht verfügbar. Diese Arbeit beschreibt die Erweiterung von SIMMER-III um ein FSI-Modell, das die Möglich- keit bietet, die Wechselwirkung zwischen Energiefreisetzungsrate, Flüssigkeitstransienten und Strukturdynamik im Kontext von HCDAs in SFRs mechanistisch zu modellieren. Die FSI- Erweiterung stützt sich auf ein Finite-Element-Modell (FEM) zweiter Ordnung, um die struk- turelle Rückkopplung zu bestimmen, und verwendet ein multilineares Härtungsmodell zur Be- schreibung des elastoplastischen Materialverhaltens. Der FEM-Code arbeitet sowohl mit 3D-, als auch 2D-axisymmetrischen Geometrien. Strukturelles und fluiddynamisches Modul des er- weiterten SIMMER-III-Codes sind miteinander lose gekoppelt. Ein Volume-Of-Fluid (VOF)- Ansatz beschreibt die radiale Verschiebung der Behälterwand auf dem strukturierten SIMMER- Rechengitter. Mithilfe der vom Argonne National Laboratory entwickelten numerischen Biblio- thek PETSc kann auf verschiedene nichtlineare Löser, Zeitschrittroutinen und Preconditioner zurückgegriffen werden. Diese Arbeit umfasst die Verifizierung von Modellen sowohl für das Strukturmodul als auch für den gekoppelten FSI-Code. Es vergleicht die Ergebnisse der eigenständigen strukturellen FEM-Analyse mit den analytischen Lösungen für Biegebalkenprobleme, Biegezylinder- und Zug- versuche für das elastoplastische Materialmodell. Für den gekoppelten Code dient der Vergleich numerischer Ergebnisse für ein Natriumhammerproblem mit einem Zwei-Gleichungsmodell als Verifizierungsfall. Die Ergebnisse sowohl von eigenständigem als auch von gekoppeltem Co- de stimmen mit den analytischen Lösungen überein. Die Resultate einer 2008 von Nakamura et al. durchgeführten experimentellen Untersuchung einer modellierten Expansionsphase in ei- nem zylindrischen, wassergefüllten Testbehälter dienen als Validierungsfall für den erweiterten SIMMER-Code. Unter Druck stehendes Gas, das von unten in den Testbehälter eintritt, simu- liert die Dampfexplosion in diesem Versuchsaufbau und beschleunigt einen Wasserpfropfen nach oben. Experimente wurden sowohl mit einem starren, dickwandigen Behälter als auch mit einem flexiblen, dünnwandigen Behälter durchgeführt. Bei Letzterem trat eine plastische Verformung nach Aufprall des Pfropfens auf. Die numerischen Ergebnisse des Druckverlaufs an ausgewählten Punkten und die Verformung der Behälterwandwand stimmen ebenfalls gut mit den experimen- tellen Ergebnissen überein. Eine Analyse der Expansion Phase in einem generischen mittelgroßen SFR untersucht den Nut- zen des neu entwickelten Codes und vergleicht die Ergebnisse des erweiterten, FSI-gekoppeltem mit dem ursprünglichem, nicht gekoppelten Code. Grundlage für die Analyse sind drei Fälle, jeweils ausgehend vom idealisierten Zustand nach einer Kernschmelze mit einheitlicher Tempe- ratur der Schmelze. Nur der intensivste der drei Fälle, bei dem eine unrealistisch hohe anfängliche Brennstofftemperatur angenommen wird, führt zu einer signifikanten plastischen Verformung der Behälterwand. Die resultierende Verformung überschreitet die Grenzen des Strukturmodells für infinitesimale Dehnungen und führt zu einem vorzeitigen Abbruch der Analyse. Diese Arbeit zeigt, wie ein bestehender Severe Accident Code, der sich auf ein strukturier- tes 2D-Rechengitter stützt, erweitert werden kann, um die radiale Verformung der Behälter- wand während der Expansionsphase eines HCDA zu berücksichtigen. Erfolgreich durchgeführte Validierungs- und Anwendungsfälle belegen die Zuverlässigkeit des Konzepts. Die Analyse der Expansionsphase in einem realistischen SFR-Entwurf zeigt den Nutzen des erweiterten Codes bei der Analyse schwerer Unfälle in der Praxis. Ein Vergleich der Ergebnisse der Analyse mit einem flexiblen bzw. einem starren Gefäß zeigt einen Einfluss der Behälterdeformation auf die freigesetzte mechanische Energie