Modellierung der Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren

Ziel dieser Arbeit war die experimentelle und numerische Beschreibung der Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren (DWR). Die Kühlmittelvermischung ist für zwei Klassen von Störfällen relevant: Borverdünnungsstörfälle und Kaltwassertransienten. Ausgehend von den Vermischungsphänomenen, die für diese Szenarien bedeutsam sind, wurde die Versuchs-anlage ROCOM (Rossendorf Coolant Mixing Facility) konzipiert und aufgebaut. Die Untersuchung der Vermischung erfolgt anhand eines Tracers (verdünnte Salzlösung) und der Messung der Leitfähigkeit des Fluids. Die numerische Simulation der Kühlmittelvermischung wurde mit dem CFD-Code CFX-4 durchgeführt. Vergleichende CFD-Rechnungen für das Modell und die Geometrie des Originalreaktors vom Konvoi-Typ belegten, dass eine Skalierung im Maßstab 1:5 die Übertragbarkeit der Ergebnisse gewährleistet. An ROCOM wurden umfangreiche Geschwindigkeitsmessungen im Ringspalt des Reaktordruckbehälters (RDB) für verschiedene Schleifendurchsätze und bei Teilschleifenbetrieb durchgeführt und mit CFX-4 Rechnungen verglichen. Bei Vollschleifenbetrieb konnte im Modell eine Unabhängigkeit der Geschwindigkeitsprofile von der Reynoldszahl im Bereich des Nominaldurchsatzes nachgewiesen werden. Besonders aufschlussreich waren, in Übereinstimmung mit CFX-4 Rechnungen, die Messungen transienter Geschwindigkeitsfelder mittels Hochleistungs-LDA-Technik. Damit konnte die Phänomenologie der beschleunigten Strömung aufgeklärt werden, wobei zunächst das Fluid als Ganzes beschleunigt wird, sich später aber große Wirbel im Ringraum herausbilden. Die Experimente an der ROCOM-Anlage zur stationären Kühlmittel-zirkulation bei Betrieb aller Schleifen zeigen übereinstimmend mit CFX-4 Berechnungen eine Beschränkung der Verteilung des eingespeisten Tracers am Kerneintritt überwiegend auf den Quadranten der mit dem Tracer beaufschlagten Schleife. Bei der Simulation von transienten Strömungsvorgängen, wie z.B. dem Anlaufen der Kühlmittelzirkulation, ergibt sich dagegen im Experiment und der korrespondierenden Rechnung ein vollständig anderes Vermischungsbild. Die Strömung teilt sich in eine linke und rechte Komponente um den Kernbehälter auf, so dass die Störung zuerst den Sektor des Reaktorkerns erfasst, der der Schleife gegenüberliegt, über die der Tracer eingespeist wird. Ergänzend wurden Berechnungen zum WWER-440 bei stationärem Durchsatz durchgeführt, die die Anwendbarkeit eines analytischen Ver-mischungsmodells für WWER-440 Reaktoren bestätigen. Für turbulente Strömungen konnte CFX-4 somit anhand von Experimenten validiert werden und steht für weitere Untersuchungen in der Reaktorsicherheitsforschung zur Verfügung. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Vermischungsmittelwerte im DWR mit Hilfe einer Lösung der eindimensionalen konvektiv-diffusiven Transportgleichung längs des Strömungsweges abbildbar sind. Die Ergebnisse der Experimente, CFD-Rechnungen und des analytischen Modells fließen in ein Modul ein, welches in Computercodes für Störfallanalysen integriert wird. Über eine verbesserte Beschreibung der Vermischung wird dadurch eine realistische Störfallsimulation erreicht