Ziel ist die Ausbildung einer Doktorandin / eines Doktoranden auf dem Gebiet der Containmentsicherheit und Verbrennungsmodellierung im Rahmen des KEK Programms. Bei schweren Störfällen in Kernkraftwerken kann es zur Freisetzung großer Mengen Wasserstoff kommen. Aufgrund der weiten Zünd- und Explosionsgrenzen von Wasserstoff- Luft Gemischen ist die Bildung von zündfähigen Gemischwolken höchst wahrscheinlich. Die numerische Modellierung der Flammenausbreitung in solchen Szenarien ist insbesondere für magere Wasserstoff-Luft Gemische höchst anspruchsvoll und bisher für deterministische Sicherheitsanalysen nicht ausreichend fortgeschritten. Bestehende Ansätze unterschätzen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Verbrennung und damit die entstehenden Drucklasten systematisch. Instabilitätsmechanismen der Flammenfront erschweren die Modellierung. Daher soll im Rahmen dieses Vorhabens eine Modellierungsstrategie erarbeitet und in ANSYS-CFX implementiert werden. Neben einer umfassenden Literaturrecherche werden Validierungsversuche durchgeführt, die durch hoch zeitaufgelöste optische Messtechniken eine Charakterisierung von Flammenfronten erlauben. Numerische Arbeiten: Nach einer umfassenden Literaturrecherche zu bestehenden Modellierungsansätzen und Brenngesetzen erfolgt eine Evaluierung der Ergebnisse. Geeignete Ansätze werden in ANSYS-CFX implementiert und mit GraVent-Versuchsanlage gewonnen Validierungsdaten verglichen. Abschließend wird die Gittersensitivität der Modellierung überprüft. Experimentelle Arbeiten: Um für die numerische Modellierung von magerer Wasserstoffverbrennung Validierungsdaten zu generieren, sollen Versuche an der GraVent-Versuchsanlage des Antragsstellers durchgeführt werden. Hierfür wird zunächst die optische Zugänglichkeit der Anlage verbessert, sodass OH PLIF Messungen in variablen Ebenen der Kanalquerrichtung erfolgen können. Diese Messungen bieten Einblick in die Dynamik von Flammenfronten in mageren Wasserstoff-Luft Gemischen.
Das in der deutschen Reaktorsicherheitsforschung vornehmlich genutzte CFD-Programm zur Simulation der Thermohydraulik, ANSYS CFX, ist heute in der Lage, umfangreiche, transiente Vorgänge zu simulieren. Auf dem Gebiet der Monte Carlo Codes ist dies für die Neutronik in diesem Umfang noch nicht möglich. Bei der Auslegung eines Reaktors spielt der Einfluss der verzögerten Neutronen eine große Rolle, ohne sie wäre eine Regelung undenkbar. Auch für die Nachrechnung zeitabhängiger Abläufe, wie z.B. ein Reaktivitätsstörfall, ist die Einbeziehung dieses Einflusses unumgänglich. In den typischen Neutronik-Codes wie MCNP, SERPENT oder TRIPOLI sind die verzögerten Neutronen allerdings noch nicht implementiert bzw. nur Transienten ohne ihren Einfluss simulierbar. Daher soll im Rahmen dieses Vorhabens die Einbindung von verzögerten Neutronen im Monte Carlo Programm SERPENT vorgenommen werden, um die Berechnung von Leistungstransienten wie beispielsweise bei Reactivity Initiated Accidents zu ermöglichen, und mit der Anpassung einer bereits bestehenden exemplarischen Kopplung zwischen ANSYS CFX und SERPENT dabei auch die Rückkopplung zwischen Neutronik und Thermohydraulik einzubeziehen. Das Arbeitsprogramm ist in folgende Arbeitspakete unterteilt: AP1: Aufbereitung und Bereitstellung der Datenbasis AP2: Untersuchung verschiedener Implementierungsstrategien AP3: Umsetzung einer ausgewählten Strategie im gekoppelten CFX-SERPENT-Prototyp AP4: Plausibilitätsanalyse des transienten Verhaltens im Prototyp AP5: Umsetzung in SERPENT AP6: Verifikation und Validierung AP7: Dokumentation Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit dem IEK-6 des Forschungszentrums Jülich durchgeführt, wobei neben dem dort vorhandenen Know-How vor allem die Infrastruktur der institutseigenen Rechnerkapazitäten genutzt werden. Das zentrale Thema der Einbindung in den Quellcode SERPENT wird in engem Kontakt, auch vor Ort, mit dem Entwicklerteam des Programms SERPENT am VTT in Finnland erfolgen.