Weiterentwicklung der Simulationsmodelle für die späte Störfallphase zur Unterstützung der Verbesserung von Severe Accident-Strategien

Abstract

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens war es, die Modellierung der späten Phase von Kernschmelzunfällen mittels des Simulationsprogramm COCOMO-3D weiter zu entwickeln und ihre praktische Einsatzfähigkeit insbesondere für Untersuchungen zu Möglichkeiten einer Kühlung und damit der Stabilisierung von Kernschmelze sowohl im RDB als auch im Sicherheitsbehälter zu verbessern. Im Besonderen wurde das Oxidationsmodell für Schmelze und Krusten unter Temperaturgradienten verbessert und die Modellierung zu Aufschmelzen und Schmelzeverlagerung überarbeitet. Die entwicklungsbezogene Validierung der in COCOMO-3D enthaltenen Modelle wurde auf der Grundlage von Daten aus aktuellen experimentellen Programmen fortgesetzt. Von besonderer Bedeutung für die Modellentwicklung zu Quenchen und Kühlbarkeit waren hierbei die am IKE durchgeführten Experimente in der DEBRIS-Anlage. Der Modellstand der in AC2 (ATHLET-CD) eingebauten Modelle aus COCOMO-3D wurde aktualisiert, so dass er dem in COCOMO-3D entspricht und somit auch von den Weiterentwicklungen und Verbesserungen profitiert. Das Simulationswerkzeug COCOMO-3D wurde parallelisiert. Hierdurch können auch Aufgaben wie z.B. dreidimensionale Rechnungen mit hoher räumlicher Auflösung oder die Durchführung sehr vieler Rechenfälle im Rahmen von Parameterstudien zeitlich effizient bewältigt werden. Es wurden Analysen zu Accident-Management-Maßnahmen zur Bewertung der Aussagesicherheit und Quantifizierung der Modellunsicherheiten durchgeführt. Hierzu wurde anhand exemplarischer In-Vessel- und Ex-Vessel-Anwendungsfälle untersucht, wie weit mit der Spätphasenmodellierung auch für Szenarien mit Einleitung von Accident-Management-Maßnahmen belastbare Aussagen getroffen werden können. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde erkundet, inwiefern schnell laufende Surrogatmodelle basierend auf neuronalen Netzen genutzt werden können, um die Simulation komplexer physikalischer Prozesse, die im Verlauf von Störfällen auftreten können, zu beschleunigen. The overall objective of the project was to further develop the modeling of the late phase of core melt accidents using the COCOMO-3D simulation program and to improve its practical applicability, in particular for investigations into the possibilities of cooling and thus stabilizing core melt both in the RDB and in the containment. In particular, the oxidation model for melt and crusts under temperature gradients was improved and the modeling of melting and melt displacement was revised. The development-related validation of the models contained in COCOMO-3D was continued on the basis of data from current experimental programs. The experiments carried out at the IKE in the DEBRIS facility were of particular importance for the model development for quenching and coolability. The model status of the models from COCOMO-3D incorporated in AC2 (ATHLET-CD) was updated so that it corresponds to that in COCOMO-3D and thus also benefits from further developments and improvements. The COCOMO-3D simulation tool was parallelized. This allows tasks such as three-dimensional calculations with high spatial resolution or the execution of a large number of calculation cases within the framework of parameter studies to be handled efficiently in terms of time. Analyses of accident management measures were carried out to evaluate the reliability of statements and quantify model uncertainties. Using exemplary in-vessel and ex-vessel application cases, it was investigated to what extent late-phase modeling can also be used to make reliable statements for scenarios involving the initiation of accident management measures. A feasibility study explored the extent to which fast-running surrogate models based on neural networks can be used to accelerate the simulation of complex physical processes that can occur during accidents.