Weiterführende Forschungsarbeiten zum HD-Kernschmelzablauf in einem DWR durch Kopplung eines CFD-Schleifenmodells mit ATHLET-CD

Abstract

Für Druckwasserreaktoren (DWR) mit stehenden U-Rohr-Dampferzeugern kann bei Hochdruck (HD)-Kernschmelzabläufen und durch Wasser isolierten Pumpenbögen eine freie Konvektionsströmung innerhalb der Dampferzeuger-Heizrohre mit einer gleichzeitigen geschichteten Gasgegenströmung in den heißen Strängen auftreten, die in ihrer Gesamtheit zu einer höheren thermischen Belastung einzelner Heizrohre führt. Im BMUV-Vorläufervorhaben 3614R01307 wurde dieses Phänomen mit einem eigenständigen Modell des CFD-Programmes "Ansys CFX" untersucht. Dort konnte das Phänomen für eine generische DWR-Referenzanlage anhand eines postulierten hypothetischen HD-Kernschmelzablaufes ausgehend vom einleitenden Ereignis Station-Blackout mit Ausfall der primärseitigen Druckentlastung, was für die DWR-Referenzanlage einen sehr unwahrscheinlichen Ereignisablauf darstellt, nachgewiesen werden. Ferner wurde die höhere thermische Belastung einiger Heizrohre quantifiziert. Da das im Vorläufervorhaben entwickelte "Stand-alone"-Modell einige vereinfachende Annahmen sowohl bei der Modellierung als auch bei der Simulation aufwies, wird im Rahmen der hier dokumentierten Forschungsarbeiten, die im Rahmen des BMUV-Vorhabens 4719R01376 durchgeführt worden sind, das CFD-Modell erweitert und direkt mit dem "ATHLET-CD"-Teil des Anlagenmodells der DWR-Referenzanlage gekoppelt. Das CFX-Modell des Vorläufervorhabens, das den interessierenden Teil des DH-Kühlmittelstranges (Oberes Plenum RDB, heißer Strang, Anschluss Volumenausgleichsleitung, Ein- und Austrittskammer Dampferzeuger, Heizrohre sowie ein Teil des kalten Stranges) darstellt, wurde in ein Modell für das CFD-Programm OpenFOAM überführt. Die wesentlichen Modellierungsmerkmale wurden dabei erhalten. Zusätzlich wurden Verbesserungen durchgeführt, die die Gitterqualität, die Darstellung des oberen Plenums, Modellierung der Trennwand zwischen Ein- und Austrittskammer sowie die Berücksichtigung der nicht-isobaren Rechnung betrafen. Im zweiten Schritt wurde das eigenständige OpenFOAM-Modell mit ATHLET-CD erfolgreich gekoppelt. Dafür wurde für den interessierenden Zeitbereich des Unfallablaufes die "ATHLET-CD"-Modellierung des relevanten Bereiches des DH-Kühlmittelstranges durch das OpenFOAM-Rechengebiet ersetzt und anschließend der Unfallablauf transient mit der gekoppelten Version weitergerechnet (mehrere Ventilzyklen des DH-Abblaseventils). Die gekoppelten Rechnungen zeigen qualitativ gleiche Ergebnisse zur freien Gasgegenströmung in den heißen Strängen und der freien Zirkulationsströmung in den Heizrohren. Des Weiteren konnten die thermische Mehrbelastung einzelner Heizrohre aus den Ergebnissen der gekoppelten Rechnungen dargestellt und quantifiziert werden. Diesbezüglich zeigen die Ergebnisse der gekoppelten Rechnungen im Vergleich zum Vorgängervorhaben etwas höhere maximale Gastemperaturen am Rohrbodeneintritt, die auch zu einer höheren thermischen Belastung einzelner Heizrohrbereiche führen. Aus struktur-mechanischer Sicht bedeuten diese Abweichungen aber keine größere Gefährdung als die bereits im Vorläufervorhaben abgeschätzte. Die CFD-Untersuchungen zum Verhalten des DH-Kühlmittelstranges erlaubten auch eine Änderung der ATHLET-CD-Modellierung der heißen Stränge. Diese wurden in der geänderten Version jeweils durch drei parallele Thermofluid-Objekte modelliert (als geschichtete Modellierung bezeichnet). Mit dieser geänderten Modellierung der heißen Stränge konnte auch mit einem Systemcode die geschichtete Gasgegenströmung in den heißen Strängen und die Zirkulationsströmung in den Heizrohren dargestellt werden. Diese Darstellung war insbesondere durch die vorab durchgeführten CFD-Untersuchungen möglich. Damit konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Strömungsphänomene nicht nur auf den DH-Kühlmittestrang begrenzt sind, sondern sich auch in den drei anderen Strängen einstellen. Allerdings sind dort die entstehenden Temperaturen der Gasströmung geringer. For pressurized water reactors (PWR) with vertical U-tube steam generators, a free convection flow can occur within the steam generator (SG) tubes with a simultaneous stratified gas counterflow in the hotlegs during high-pressure (HP) core meltdown scenarios with water-insulated pump seals. These phenomena lead to a higher thermal load on individual SG tubes. In the previous BMUV project 3614R01307, these phenomena were examined with an independent model of the CFD program "Ansys CFX". There, the phenomena could be demonstrated for a generic PWR reference plant based for a postulated and hypothetical HP core degradation scenario starting from the initiating event station blackout (SBO) with the failure of primary side depressurization. That sequence depicts a very unlikely severe accident scenario for the PWR reference plant. Further more, the higher thermal load of some SG tubes was quantified also. Since the "stand-alone" model developed in the previous project had some simplifying assumptions both in the modelling and in the simulation respectively, an optimization and extension of that CFD model was done in the frame of the BMUV research project 4719R01376 documented here. The modified CFD model will be also coupled directly with the "ATHLET-CD" part of the plant model of the PWR reference plant. The CFX model of the previous project, which represents the relevant part of a pressurizer coolant loop of the PWR (upper plenum RPV, hot leg, surge line connection, steam generator inlet and outlet chamber, SG tubes and part of the cold leg), was converted into a model for the CFD program OpenFOAM. The essential modelling features were retained. In addition, improvements were made to the grid quality, the representation of the upper plenum, modelling of the partition wall between the inlet and outlet chambers and the consideration of the non-isobar calculation. In the second step, the independent OpenFOAM model was successfully coupled with the ATHLET-CD part. For this purpose, the "ATHLET-CD" modelling of the relevant area of the pressurizer coolant loop was replaced by the OpenFOAM calculation area for the relevant point in time of the accident sequence and in the following the transient accident sequence was further calculated with the coupled version (several cycles of the pressur izer relief valve could be calculated with the coupled version). The coupled calculations show qualitatively the same results for the free gas counterflow in the hot legs and the free circulation flow within the SG tubes. Furthermore, the additional thermal load of individual SG tubes could be shown and quantified from the results of the coupled calculations. In this regard, the results of the coupled calculations show slightly higher maximum gas temperatures at the SG tube inlet plate compared to the previous project, which also lead to a higher thermal load on individual SG tube areas. From a structural-mechanical point of view, however, these deviations do not mean a greater hazard than that already estimated in the previous project. The CFD investigations on the behaviour of the pressurizer coolant loop also allowed a change in the ATHLET-CD modelling of the hot legs. In the modified version, these were each modelled by three parallel thermal fluid objects (referred to as layered modelling). With this modified modelling of the hot legs, the stratified gas counterflow in the hot legs as well as the circulation flow in the SG tubes could also be simulated with a "lumped parameter" system code. This representation was made possible by the CFD investigations carried out in advance. Thus, it could be shown that the flow phenomena investigated in that project are not only limited to the pressurizer coolant loop, but also occur in the three other loops. However, the resulting temperatures of the gas flow are lower there.