Analytische und experimentelle Untersuchungen zur Partikelrückhaltung in Flüssigkeitsvorlagen (APVOR)

Abstract

Der vorliegende Bericht ist der Abschlussbericht 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 (AG) 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 die Validierung eines Venturidüsen- Ansatzes in COCOSYS. Zunächst werden experimentelle Daten und numerische Modelle zu Pool Scrubbing und zum FCVS (Filtered Containment venting System) gesammelt und analysiert. Die experimentellen Daten zu Pool Scrubbing umfassen 22 Versuchsreihen. Die Modellierung der Partikelrückhaltung erfolgt mittels empirischer Korrelationen und Codesystemen wie SPARC90, SPARC90- Jet, SPARC-B/98, BUSCA und SUPRA. Validierungsarbeiten aus der Literatur zeigen, dass die Codesysteme die Partikelrückhaltung meist unterschätzen. In einer an das PIRT-Verfahren angelehnten Analyse werden Partikelgröße, -dichte, Einspeisegeschwindigkeit und Dampfmassenanteil als relevante Faktoren für Pool Scrubbing identifiziert. Die in der erweiterten SAAB-Anlage durchgeführten Experimente zeigen, dass die Pooltemperatur positiv mit der Rückhalteeffizienz korreliert. Submikronpartikel wurden bei nasser Resuspension signifikant wieder freigesetzt. Das Codesystem COCOSYS verwendet einen nicht-mechanistischen Ansatz zur Bestimmung der Partikelrückhaltung in Venturidüsen. Das Modell ist nicht direkt auf Experimente der Harbin University übertragbar, in denen verschiedene Venturidüsen-Geometrien untersucht wurden. Für die Rückhalteeffizienz für verschiedene Geometrien wird das Modell von Calvert et al. angepasst und getestet, wobei geringe Abweichungen zu experimentellen Daten auftreten. Zur Bestimmung der Rückhalteeffizienz wird ein Modell entwickelt, das verschiedene Koeffizienten umfasst, um Einflüsse von Randbedingungen wie Partikelgröße und Flüssigkeitsüberdeckung zu berücksichtigen. Die Validierung des Modells zeigt bis auf wenige Ausnahmen eine Abweichung von maximal ±10 % zur experimentell ermittelten Rückhalteeffizienz. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber bisher verfügbaren Modellen dar. Das entwickelte Modell wurde in einer anlagentechnischen Anwendung mit AC² getestet, um die Spaltproduktrückhaltung in einem Kernschmelzunfallszenario zu simulieren. Die Simulationen zeigen eine Rückhalteeffizienz von 𝜂 > 0,94. Die Rückhalteeffizienz setzt sich dabei aus der Partikelrückhaltung innerhalb der Venturidüse und der Partikelrückhaltung, welche durch die Wasserüberdeckung hervorgerufen wird, zusammen. Datei-Upload durch TIB The present report is the Final 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 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. Firstly, experimental data and numerical models on Pool Scrubbing and FCVS (Filtered Containment Venting System) are collected and analyzed. The experimental database for Pool Scrubbing includes 22 test series. Particle retention modeling is done using empirical correlations and codes such as SPARC90, SPARC90-Jet, SPARC-B/98, BUSCA, and SUPRA. Validation work from the literature indicate that these codes typically underestimate particle retention. An analysis inspired by PIRT analysis identifies particle size, density, injection velocity, and steam mass fraction as relevant factors for Pool Scrubbing. Performed experiments at the SAAB facility show a positive correlation between pool temperature and retention efficiency. Submicron particles are significantly re-released during wet resuspension. The COCOSYS code system employs a non-mechanistic approach to determine particle retention in venturi nozzles. The model is not directly transferable to experiments conducted by Harbin University, which investigated various venturi nozzle geometries. For the retention efficiency of different geometries, the model by Calvert et al. is adapted and tested, revealing slight deviations from experimental data. To determine retention efficiency, a model is developed incorporating various coefficients to account for influences of boundary conditions such as particle size, submergence, gas velocity and steam mass fraction. Validation of the model shows deviations of up to ±10% only from experimentally determined retention efficiency, for most cases. This represents a significant improvement on previously available models. The developed model was tested in a plant simulation with AC² to simulate fission product retention in a core meltdown accident scenario. Simulations indicate a retention efficiency of 𝜂 > 0.94, comprising particle retention within the venturi nozzle and that induced by submergence.