Ziel des Vorhabens ist die externe Validierung und Analyse der drei Störfallanalysecodes ATHLET (Analysis of Thermal-hydraulics of Leaks and Transients), ATHLET-CD (Analysis of Thermal-hydraulics of Leaks and Transients - Core Degradation) und ASTEC (Accident Source Term Evolution Code) hinsichtlich der Modellierung ausgewählter Phänomene. Aus den Analysen und Validierungsarbeiten werden die Gültigkeit der Modelle analysiert und bewertet, sowie durch die Anwendung dreier Codes in einen vergleichbaren Kontext gestellt. Mit ATHLET sollen Druckstöße, wie sie z.B. beim schnellen Schließen von Ventilen in Leitungen auftreten könnten, untersucht werden. ATHLET-CD und ASTEC bieten die Möglichkeit Kernzerstörungsphänomene zu simulieren. Hier soll mit ATHLET-CD die Kernzerstörung in Druckwasserreaktoren (DWR), mit ASTEC in Siedewasserreaktoren (SWR), anhand geeigneter Experimente oder Unfälle analysiert und bewertet werden. Von besonderem Interesse sind dabei das Oxidationsverhalten der Brennstäbe, die einsetzende strukturelle Zerstörung, auch hinsichtlich der Verlagerung, sowie das Verhalten während des Wiederflutens (teilweiser) zerstörter Strukturen. Vergleichsrechnungen zwischen ASTEC und ATHLET-CD zur Abbildung SWR-typischer Phänomene unterstützen die Analyse der ASTEC-Modellbasis. Zudem wird an Benchmarkrechnungen teilgenommen und es werden Simulationen aktueller Versuche durchgeführt.
In den zukünftigen nuklearen Systemen soll überkritisches Wasser häufig als Kühlmittel des Reaktorkerns oder als Arbeitsfluid im Energieumwandlungssystem verwendet werden. Die Voraussetzung für die sichere Auslegung eines mit überkritischem Wasser gekühlten Systems ist die zuverlässige Vorhersage des Wärmeübergangs. Das Ziel ist daher die Entwicklung eines neuen Modells zur Vorhersage des Wärmeübergangs in überkritischem Wasser für einen abdeckenden Parameterbereich. Das Modell wird dann in das thermohydraulische Systemprogramm (STH Programm) ATHLET implementiert und anhand experimenteller Ergebnisse des transienten Verhaltens eines mit überkritischem Wasser gekühlten Systems validiert. Die wesentlichen wissenschaftlichen Zielsetzungen sind: (1) Erweiterung der experimentellen Datenbank mit Hilfe von Partnern und Literatur; (2) Entwicklung eines neuen Wärmeübergangsmodells in überkritischem Wasser; (3) Modifizierung und Bewertung des STH Programms ATHLET A1: Eine ausführliche Literaturstudie wird durchgeführt zu (1) experimentellen Untersuchungen, zu (2) Wärmeübergangsmodellen und zum (3) Status der Anwendbarkeit von STH Programmen auf Systeme mit überkritischen Fluiden. (s Anlage I.2) A2: Entwicklung eines neuen Wärmeübergangmodells. Durch mechanistische Analyse physikalischer Vorgänge, systematischer Analyse des Parametereffekts und mit Hilfe von CFD Analysen werden wichtige Einflussparameter und dimensionslose Kennzahlen identifiziert. Mit diesen Parametern und mit Hilfe der aufgestellten Datenbank wird ein neues Modell für kreisförmige Rohre entwickelt. Mittels Korrekturfaktoren wird dieses Modell für Ringspalt- oder Stabbündelgeometrien angepasst. Die jeweiligen Modelle werden dann anhand der Datenbank bewertet. A3: Modifikation und Validierung des STH Programms ATHLET. In Zusammenarbeit mit der GRS wird das neu entwickelte Modell des Wärmeübergangs in das STH Programm ATHLET implementiert und anschließend durch Vergleich mit experimentellen Daten validiert.
Das Ziel dieses Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen der 2-Phasenströmung sowie von Modellen des Blasensiedens und des Filmsiedens im CFD-Code OpenFOAM. Diese Arbeiten stellen eine Ausweitung der derzeit laufenden Arbeiten in dem Vorhaben RS1506 dar. Zusätzlich sollen die vorhandenen Korrelationen im Systemcode ATHLET zur Berechnung des kritischen Wärmestroms anhand von neuen Experimenten überprüft und gegebenenfalls verbessert werden. Das Gesamtziel umfasst somit die folgenden Eckpunkte: Validierung und Verbesserung der Korrelationen zur Berechnung des kritischen Wärmestroms im Systemcode ATHLET, Implementierung und Validierung von Modellen zum Wandsieden und zur 2-Phasenströmung im CFD-Code OpenFOAM, Mitarbeit bei der Entwicklung eines neuen CFD-tauglichen Modells für das Filmsieden, Implementierung und Analyse des neuen Modells im CFD-Code OpenFOAM. Das Vorhaben soll in enger Zusammenarbeit mit dem BMWi-Verbundvorhaben 'CFD-Methoden zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte' ablaufen. Der Arbeitsplan orientiert sich stark an dem im Rahmentext vorgegebenen zeitlichen Ablauf des Verbundprojektes. Die erste Stufe der Arbeiten zu CFD beinhaltet die Ertüchtigung des CFD-Codes OpenFOAM für die Simulation des Wandsiedens im 2-Phasenbereich. Aufbauend auf diesen Modellen erfolgt anschließend der Einbau und die Validierung des mechanistischen Siedemodells. Die geplanten Arbeiten zum Systemcode ATHLET finden parallel zu den Arbeiten an OpenFOAM statt. Hier werden direkt neue Korrelationen für die Berechnung des kritischen Wärmestroms implementiert und getestet. Die Verbindung zum Verbundprojekt ergibt durch die vergleichenden Rechnungen der im Verbund durchzuführenden Experimente.
Ziel des Vorhabens ist die Validierung der Rechenprogramme ATHLET und ATHLET-CD anhand von Ergebnissen aus nationalen und internationalen Einzeleffekt- und Integralexperimenten. Dieses Validierungsvorhaben laeuft parallel zu den Entwicklungsvorhaben fuer ATHLET (RS 1074) und ATHLET-CD (RS 1081).
Adaption, Ueberpruefung und Anwendung geeigneter thermodynamischer und neutronenkinetischer Berechnungsmethoden und Einarbeitung von Anwendern aus Ungarn mit dem Ziel, einen Beitrag zur Verbesserung von Analysemethoden fuer WWER-Reaktoren zu leisten. In den geplanten Arbeiten angestrebte Ziele sind die weitere Verifikation von ATHLET anhand der Nachrechnung von Experimenten an der ungarischen Versuchsanlage PMK, die Kopplung von ATHLET mit dem ungarischen 3D-Kernmodell KIKO3D und die Durchfuehrung einer Unsicherheitsanalyse fuer ein Experiment zu einem Kuehlmittelverluststoerfall. Die bisherigen Ergebnisse der Kopplung von ATHLET und KIKO3D sind die Durchfuehrung folgender Rechnungen: - Stationaere Rechnungen mit thermofluiddynamischen Kernmodellen mit 7 und 59 Kernkanaelen - Auswurf eines Steuerstabes (2 Faelle) - Ausfahren einer Steuerstabbank - Nachrechnung der Transiente 'Ausfall einer Hauptkuehlmittelpumpe im KKW Paks'. Die stationaeren Rechnungen mit 7 bzw 59 Kernkanaelen zeigten im Vergleich zur 'stand-alone' Rechnung mit KIKO3D eine hoehere Genauigkeit, wobei der Einfluss der groesseren Anzahl von Kernkanaelen relativ gering ist. Die Analyse zum Auswurf bzw. dem Ausfahren von Regelorganen zeigten plausible Ergebnisse. Die Analyse zum Ausfall einer Hauptkuehlmittelpumpe im KKW Paks lieferte im Vergleich zur ATHLET-Rechnung mit dem neutronenkinetischen Punktmodell eine wesentlich bessere Uebereinstimmung mit den Messwerten.
Die Entwicklung der 6-Gleichungsversion des Rechenprogrammes ATHLET zur Analyse der Thermohydraulik von Lecks und Transienten in Druck- und Siedewasserreaktoren im auslegungsgemaessen und auslegungsueberschreitenden Bereich soll gegenueber der 5-Gleichungsversion die Genauigkeit bei der Berechnung von kondensationsbedingten Oszillationen und der Waermeuebertragungsmodelle, wie Kondensations- und Quenchmodell, erhoehen. Im Rahmen dieses Vorhabens soll daher die Eignung der 6-Gleichungsversion fuer die Berechnung von Kondensationsprozessen auch unter dem Einfluss nichtkondensierender Gase anhand von Rechnungen zu Einzeleffektexperimenten der Anlage HORUS sowie die Eignung des Codes fuer die Berechnung von SBLOCA-Stoerfallsequenzen der Reaktoren des Typs WWER durch Nachrechnung der integralen PACTEL-Experimente SBL-31 und SBL-33 nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt neben der Simulation des integralen Verhaltens von WWER-Anlagen insbesondere in der vergleichenden Ueberpruefung von Kondensationsmodellen im ATHLET-Code. Bei der Bewertung von Kondensationsmodellen sollen die fuer die 5-Gleichungsversion entwickelten Modelle KONWAR und CONHOT dem Standardkondensationsmodell der 6-Gleichungsversion gegenueber gestellt werden. Die vergleichende Bewertung wird anhand von Einzeleffektexperimenten an HORUS der Serie PCHS-Phase B in einem breiten Parameterbereich durchgefuehrt. Die neuen integralen SBLOCA-Experimente an der Anlage PACTEL sowie die Einzeleffektexperimente zur Kondensation in horizontalen Rohrleitungen an der Anlage HORUS sind Bestandteil der von der GRS aufgestellten Verifikationsmatrix des Thermohydraulikcodes ATHLET.
Anspruchsvolle Verfahren der Signalverarbeitung wie Beobachter, Kalman Filter und Fuzzy- Logic finden in sicherheitsrelevanten Systemen bisher nur begrenzt Anwendung. Das Hauptziel des Vorhabens bestand darin, mit Hilfe dieser Verfahren die Guete und die Zuverlaessigkeit der Messinformationen zu erhoehen sowie zusaetzliche nicht messbare sicherheitsrelevante Prozessparameter zu ermitteln. Die Untersuchungen erfolgten am Beispiel der sicherheitsrelevanten Groesse Hoehenstand in Druckbehaeltern mit Zweiphasengemisch unter Beruecksichtigung des statischen und dynamischen Verhaltens der hydrostatischen Hoehenstandsmesssysteme bei Stoerfalltransienten (Leckstoerfaelle). Zu Projektbeginn standen Reaktoren des Typs WWER 440 (liegender Dampferzeuger) im Vordergrund. Die weiterfuehrenden Untersuchungen wurden auf Reaktoren des Typs WWER 1000 und SWR (Reaktordruckbehaelter) erweitert. Die Methode der Projektbearbeitung beinhaltete die Komponenten Experimentelle Einzeleffektanalyse, Modellierung und Simulation mittels ATHLET-Code, Entwicklung modellgestuetzter Messverfahren und Verifikation der entwickelten Modelle und Verfahren. Es wurden Algorithmen entwickelt, die folgende Aufgaben erfuellen: - Diagnose des Prozesszustandes von Druckbehaelter und Hoehenstandsmesssystem unter Einbeziehung der Fuzzy Logic - Korrektion des angezeigten Hoehenstandes - Berechnung der nichtmessbaren Groesse Gemischhoehenstand mittels Beobachter bzw. Kalman Filter auf der Basis linearer Zustandsraummodelle - ATHLET- Module zur Simulation der hydrostatischen Hoehenstandsmesssysteme (WWER 440, WWER 1000, SWR).
Weltweit werden verschiedene Thermohydrauliksysteme zur Nachrechnung des gesamten Spektrums von Kuehlmittelverlust- und Transientenstoerfaellen in Leichtwasserreaktoren entwickelt. Ein deutscher Beitrag ist hierzu das Thermohydraulikprogrammsystem ATHLET. Die Programmentwicklung ist begleitet von einer umfangreichen Programmverifikation anhand zahlreicher Einzeleffekt- und Integralexperimente. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens sollen ausgewaehlte PATRICIA-SG-2- sowie TRAM-A5-Einzeleffekttests nachgerechnet werden, um aus dem Vergleich der experimentellen Daten mit den numerischen Berechnungen Rueckschluesse auf die Modellierung physikalischer Einzeleffekte in ATHLET ziehen und somit Beitraege zu dessen Weiterentwicklung leisten zu koennen. Dies betrifft speziell den Impuls-, Waerme- und Stofftransport in Konfigurationen mit Mehrphasen- und Mehrkomponentenstroemungen. Aufgrund der klar definierten Randbedingungen wird damit eine weitgehend autarke Untersuchung der einzelnen Transportphaenomene ermoeglicht. Dadurch koennen moegliche Kompensationseffekte von Ungenauigkeiten der im Verbund stehenden ATHLET-Modelle erkannt und behoben werden.
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