Weiterentwicklung hochauflösender Multi-Physik-Rechenmethoden zur Sicherheitsbewertung von SWR mit TORT-TD/CTF und CFD

Abstract

Ziel des Eigenforschungsvorhabens war die Weiterentwicklung der im Rahmen des Vorgängerprojekts 4718R01316 bereitgestellten, gekoppelten hochauflösenden Multi-Physik-Rechenmethoden der GRS zur Sicherheitsbewertung von Siedewasserreaktoren (SWR). Im Zentrum standen dabei die Einbeziehung von Computational-Fluid-Dynamic-Simulationen (CFD) und Modellerweiterungen zur Untersuchung lokaler CRUD-Phänomene. Die Motivation hierfür ergab sich aus lokalen Befunden (V-Marken) an SVEA-96 Optima2-Brennelementen des schweizerischen Kernkraftwerks Leibstadt (KKL), die zunächst als Dryout, später jedoch als CRUD (Chalk River Unidentified Deposits) identifiziert wurden. CRUD ist von sicherheitstechnischer Bedeutung, da hierdurch u. a. der Wärmeübergang vom Brennstoff ins Kühlmittel behindert und somit beispielsweise bei Transienten höhere Brennstoff- und somit Hüllrohrtemperaturen auftreten können. Laufende Optimierungen haben zu neutronenphysikalisch und thermohydraulisch komplexen SWR-Brennelementen geführt, die ebenso komplexe Moderator- und Kühlmittelströmungseffekte nach sich ziehen, welche wiederum die neutronenphysikalischen Verhältnisse beeinflussen. Dieses Vorhaben zielte daher darauf ab, diese Aspekte durch Weiterentwicklungen der gekoppelten Multiphysik-Modellierungs- und Simulationsverfahren (TORT-TD/CTF) sowie der CFD-Simulationstechnik (OpenFOAM) der GRS zu adressieren und durch gezielte stationäre und transiente Analysen die Auswirkungen der genannten Phänomene auf sicherheitsrelevante Parameter zu studieren. Die durchgeführten Sicherheitsanalysen zeigten, dass CRUD je nach Schichtdicke und Wärmeleitung Brennstofftemperaturerhöhungen von lokal um 15 % und darüber nach sich zieht. Voller hydraulischer Ausgleich zwischen den vier Teilbündeln des Brennelements führt zu geringerem MASL als fehlender hydraulischer Ausgleich, sowohl im stationären als auch im transienten Fall (Ereignis: Turbinenschnellschluss ohne Verfügbarkeit der Frischdampfumleitstation). Gegenüber einer homogenen Eintrittsmassenstromverteilung in den Unterkanälen des Minikerns hat die Berücksichtigung der aus den CFD-Simulationen abgeleiteten inhomogenen Unterkanal-Eintrittsmassenstromverteilung eine geringfügige Anhebung des MASL zur Folge, im stationären wie auch im transienten Fall. The aim of this research project was to further develop the coupled, high-resolution multi-physics computational framework provided by GRS for the safety assessment of boiling water reactors (BWRs) based on achievements of the previous research project 4718R01316. The focus was on the inclusion of computational fluid dynamics (CFD) simulations and model extensions to investigate local CRUD (Chalk River Unidentified Deposits) phenomena. The motivation for this arose from local findings (V marks) on SVEA-96 Optima2 fuel assemblies at the Swiss Leibstadt Nuclear Power Plant (KKL) which were initially identified as dryout but later as CRUD. CRUD is of safety significance because it impedes the heat transfer from the fuel to the coolant, thus leading to higher fuel and thus cladding temperatures, both in steady state and transient scenarios. On-going optimizations have led to BWR fuel elements that are complex in terms of neutron physics and thermohydraulics, resulting in likewise complex moderator and coolant flow characteristics, which in turn influence the neutron physics. This project therefore aimed to address these aspects through further developments of GRS's coupled multiphysics modeling and simulation methods (TORT-TD/CTF) and its CFD simulation technology (OpenFOAM), and to study the effects of the above-mentioned phenomena on safety-relevant parameters through dedicated steady-state and transient analyses. This report documents the further developments and safety analyses carried out. The safety analyses showed that – depending on the layer thickness and heat conduction – CRUD results in local fuel temperature increases of 15 % and slightly beyond. Fully open hydraulic communication slots between the four sub-bundles of the fuel assembly leads to lower MASL compared to the situation with fully closed hydraulic communication slots, both under steady-state and transient conditions (event: turbine trip without availability of the main steam bypass station). Compared to a homogeneous inlet mass flow distribution in the subchannels of the minicore, taking into account the inhomogeneous subchannel inlet mass flow distribution derived from the CFD simulations results in a slight increase in the MASL, both in steady-state and transient conditions.