Modellentwicklung zur Bestimmung von Pool Scrubbing und Validierung des COCOSYS 3.0 Venturiwäschermodells - Technischer Fachbericht PSS-TR-27 zum Vorhaben BMUV 1501618: Analytische und experimentelle Untersuchungen zur Partikelrückhaltung in Flüssigkeitsvorlagen (APVOR)

Abstract

Der vorliegende Bericht ist der dritte Technische Fachbericht zum Forschungsvorhaben "Analytische und experimentelle Untersuchungen zur Partikelrückhaltung in Flüssigkeitsvorlagen", welches vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV 1501618) gefördert und von der Arbeitsgruppe Plant Simulation and Safety (PSS) an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) bearbeitet wird. Das Ziel des Vorhabens ist die Bereitstellung eines Modells zur Abschätzung der Partikelrückhaltung in einer Flüssigkeitsvorlage und die Erweiterung der experimentellen Datenbasis sowie Validierung eines Venturidüsen-Ansatzes in COCOSYS. Dazu werden in diesem Bericht die Erstellung und die Validierung des Modells dargestellt sowie die Validierung des Venturidüsen-Ansatzes durchgeführt. Anhand einer umfangreichen Datenbasis aus experimentellen Vorhaben werden Versuche ausgewählt und durch verschiedene Analysen, wie den Pearsonkoeffizienten und Trends in den Daten, Zusammenhänge zwischen den Randbedingungen und der Rückhalteeffizienz aufgezeigt. Es wird eine Modellstruktur erprobt, die die Rückhalteeffizienz basierend auf Überdeckung und Partikeldurchmesser beschreibt, wodurch bereits eine hohe Übereinstimmung mit experimentellen Daten für nicht kondensierbare Gase erzielt wird. Aufbauend auf den durchgeführten Analysen und der erprobten Modellstruktur wird ein Modell basierend auf verschiedenen Koeffizienten erstellt, die einer logistischen Funktion folgen. Das Modell wird anhand von ausgewählten Experimenten validiert und mit bestehenden korrelativen Ansätzen verglichen. Die durchgeführten Vergleichsrechnungen zeigen eine hohe Übereinstimmung mit experimentellen Daten und eine Verbesserung gegenüber vergleichbaren Ansätzen, wobei das verwendete Kondensationsmodell Entwicklungspotenzial bietet. Infolge des Reaktorunfalls im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi sind FCVS (Filtered Containment Venting Systems) noch stärker in den Fokus gerückt. In diesem Zusammenhang steht in der COCOSYS Version 3.0 ein Venturidüsen-Ansatz zur Verfügung. In dieser Arbeit werden vergleichende Berechnungen für Experimente der Harbin Engineering University unter Verwendung von COCOSYS 3.0 durchgeführt, um den Ansatz zu bewerten. Die Simulationsergebnisse werden mit den experimentellen Daten bezüglich der Partikelrückhaltung von Aerosolen in Flüssigkeitspools verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der nicht-mechanistische Ansatz nicht auf die Venturidüsen-Geometrien der Harbin-Experimente anwendbar ist, da der Ansatz auf Experimenten mit Venturidüsen mit kurzem Venturirohr basiert. Der Ansatz wurde daher auf der Grundlage des Korrelationssystems von Calvert et al. erweitert. Eine Berechnung der Rückhalteeffizienz ist nun zusätzlich für drei Geometrien der Harbin-Experimente als Funktion des Volumenstroms und des Partikeldurchmessers möglich. Datei-Upload durch TIB The present report is the third Technical Report for the research project "Analytical and experimental Studies on particle retention in liquid pools", funded by the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Nuclear Safety, and Consumer Protection (BMUV 1501618) and conducted by the Plant Simulation and Safety Group (PSS) at the Ruhr-Universität Bochum (RUB). The project aims to provide a model for estimating particle retention in a liquid pool, expanding the experimental database, and validating a Venturi nozzle approach in COCOSYS. This report includes the development and validation of the model and the validation of the Venturi nozzle approach. Using an extensive database from experimental projects, experiments are selected and various analyses, such as Pearson coefficients and trends in the data, are used to investigate correlations between the boundary conditions and the retention efficiency. A model structure is tested, describing the retention efficiency based on water cover and particle diameter, obtaining a high agreement with experimental data for non-condensable gases. Based on the analyses and the tested model structure, a model based on different coefficients following a logistic function is created. The model is validated using selected experiments and is compared with existing correlative approaches. Comparative calculations show a high agreement with experimental data and an improvement over existing approaches. The condensation model used has development potential. Following the reactor accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plant, filtered containment venting systems (FCVS) have gained increased attention. In this context, COCOSYS Version 3.0 includes a venturi nozzle approach. This work includes comparative calculations for experiments at Harbin Engineering University using COCOSYS 3.0 to evaluate the approach. Simulation results are compared with experimental data regarding the particle retention of aerosols in liquid pools. The results indicate that the non-mechanistic approach is not applicable to the venturi nozzle geometries of the Harbin experiments, as the approach is based on experiments with venturi nozzles with a short venturi tube. Therefore, the approach has been expanded based on the correlation system of Calvert et al. An estimation of the retention efficiency is now possible for three geometries of the Harbin experiments as a function of the volumetric flow rate and the particle diameter.