Verbesserungen von Modellen zur Simulation von Containmentphänomenen mit dem AC²-Programm COCOSYS

Abstract

In dem von der GRS entwickelten Programmpaket AC² ist COCOSYS (Containment Code System) das detaillierte Analysewerkzeug zur Simulation von relevanten Vorgängen und Zuständen im Sicherheitsbehälter von Kernkraftwerken (KKW). AC2/COCOSYS wird zur Auswertung von Fragestellungen der Reaktorsicherheit genutzt. In diesem Vorhaben wurden in COCOSYS bestimmte Modelle verbessert oder ergänzt, um sowohl das Containmentverhalten als auch Freisetzungspfade aus dem Containment in die Umgebung für ein breites Spektrum von KKW-Technologien (Generation II – III+ sowie Forschungsreaktoren und zukünftige KKW der Generation IV und SMR) nach aktuellem Stand von W&T berechnen zu können. Dies erfolgte durch die Bearbeitung von fünf Themenbereichen:

Thermohydraulik im Containment: Zur Simulation des Containment-Druckabbaus mit Gebäudekondensatoren (z. B. im WWER-1200 oder im HPR1000 als Sicherheitssystem auf den Sicherheitsebenen 3 und 4) wurden Modelle für den Kondensationswärmeübergang zwischen Containmentatmosphäre und Außenseite des Wärmetauschers erweitert und für die Kopplung mit ATHLET (Beschreibung des Wasser-/Dampf-Kreislaufes innerhalb des Wärmetauschers) ertüchtigt. Für die Simulation einer Temperaturverteilung in einem Wasserpool im Containment (in verschiedenen KKW auf der Sicherheitsebene 3 zur Abfuhr von Nachwärme bei der Stör- und Unfallbeherrschung vorgesehen, z. B. in den „Residual Heat Removal“-Systemen beim AP1000 oder HPR1000) oder wenn ein komplettes Auffüllen von ursprünglich leeren Raumbereichen mit Wasser simuliert werden soll, wurde die Funktionalität des zu diesem Zwecke zur Verfügung stehenden, kombinierten Gas-/Wasser-Strömungsmodells ATM_FULL erweitert (Initialisierung einer Zonenunterteilung in einem gefüllten Pool, Transport von Spaltprodukten und Aerosolen). Verhalten von Spaltprodukten und Aerosolen: Eine im Rahmen der COCOSYS-Entwicklung langfristig verfolgte Zielsetzung ist der Ersatz des früheren Modells AFP zur Simulation des Aerosol- und Spaltproduktverhaltens in COCOSYS durch die Neuentwicklung AFP2 (ehemaliger Arbeitstitel: „NewAFP“), welche die Hauptkritikpunkte an AFP eliminiert und nun zentrale Bilanzen für Stoffmengen auf verschiedenen Ebenen (chemischen Verbindungen, Elementen oder Isotopen) führt. In diesem Vorhaben ist die Integration der bisher fehlenden, relevanten Teilmodelle in AFP2 nach derzeitigem Stand von W&T abgeschlossen worden, u. a. ist der Einbau des pH-Wert-Modells in AFP2 erfolgt. Im Hinblick auf die Errechnung des Nuklidinventars von Reaktorkernen und der Zerfallsprozesse wurde die GRS-Rechenkette AC2 mit einer Schnittstelle ausgestattet, die es erlaubt, einen separaten Code zur Berechnung des Isotopenverhaltens, anzubinden. Dies wurde im Vorhaben für den von GRS und PSI gemeinsam entwickelten Rechencode VENTINA realisiert. Im hier durchgeführten Vorhaben ist der für die COCOSYS-Modelle benötigte Teil der Schnittstelle erstellt und an VENTINA angebunden worden. Die Zerfallsrechnungen in COCOSYS-AFP2 basieren nun auf VENTINA-Methoden. Für das Isotopenverhalten in gekoppelten Rechnungen mit COCOSYS und ATHLET-CD stehen Arbeiten an der Schnittstelle zur Anbindung des Codes VENTINA aus. Verhalten der Ex-Vessel-Kernschmelze: Für die Simulation einer nicht-kühlbaren, kompakten Kernschmelze bzw. der Kernschmelze-Beton-Wechselwirkung (MCCI) ist das Hauptmodul CCI in COCOSYS verfügbar und im Rahmen des Vorhabens gepflegt und aktualisiert worden. Basierend auf Rückflüssen aus Anwendung und internationalem fachlichen Austausch zu Fragestellungen aus diesem Themenkomplex wurden im Rahmen dieses Vorhabens Verbesserungen an existierenden Teilmodellen durchgeführt. Der Hauptaspekt der Arbeiten zum Ex-Vessel-Schmelzeverhalten lag auf der Ergänzung eines Ansatzes, um in Unfallsimulationen im Unterschied zu MCCI auch eine potenziell kühlbare Schüttbettkonfiguration zu berücksichtigen. Hierzu wurde in diesem Vorhaben das von der AG PSS an der Ruhr-Universität Bochum entwickelte Modell DEMON in CCI eingebaut und zunächst vereinfachend an die Bedingungen (und Unsicherheiten) bei Ex-Vessel-Szenarien angepasst sowie in der Einbettung in COCOSYS erprobt. Kopplungen in COCOSYS bzw. AC2: Neben der Erweiterung der Kopplung zwischen COCOSYS und ATHLET für den Wärmeübergang an Strukturen wurde die Verwendung des WGR-Strahlungsmodells aus COCOSYS für den Energieaustausch zwischen der Oberfläche einer in ATHLET gerechneten Wärmestruktur und der anliegenden, in COCOCSYS gerechneten Containment-Zone ermöglicht. Des Weiteren ist COCOSYS um die Datenausgabe im HDF5-Format erweitert worden, so dass für das Postprocessing von Rechenergebnissen ein verbreitetes, mit frei verfügbarer Software lesbares Datenformat verfügbar ist. Daher können jetzt auch die für AC2 entwickelten Werkzeuge ATLASneo und Batchplot zur graphischen Darstellung von COCOSYS-Ergebnissen genutzt werden. Ferner wurde COCOSYS für die Nutzung der Wasser-/Dampf-Stoffwertdatenbank der Hochschule-Zittau-Görlitz weitestgehend vorbereitet. Ferner wurde die Nutzung des Modells LHEAD in ATHLET-CD für die Simulation der Vorgänge im unteren Plenum des Reaktordruckbehälters bei der Kernzerstörung als Alternative zum Modell AIDA für die gekoppelte Rechnung mit COCOSYS ermöglicht. Querschnittsaktivitäten und Benutzerberatung: Hier wurde die Beteiligung der GRS in verschiedenen, vorwiegend internationalen Forschungsvorhaben und Fachgruppen fortgesetzt (OECD-THEMIS, OECD-ESTER, OECD-BCAPFIS, IPRESCA).Darüber hinaus wurden in diesem Vorhaben Nutzerrückflüsse aus interner und externer Nutzung kontinuierlich erfasst, um den Code zu verbessern. Durch diese Vernetzung wurde die Qualität des Codes stetig im Einklang mit international fortentwickeltem Stand von W&T bewahrt und verbessert. Ferner wurden für COCOSYS Handbücher aktualisiert, welche die in der jeweiligen Version aktuell enthaltenen Modelle und ihre Grundlagen sowie ihre Handhabung bei der Eingabedatensatzerstellung beschreiben. Vorgaben der GRS für die Qualitätssicherung bei der Codeentwicklung wurden unter Nutzung aktueller Methoden (Continuous Integration, Regressionstesten) und Tools des Softwaremanagements (GitLab/Git) eingehalten.

Im Modellstand von COCOSYS wurden bedeutsame Verbesserungen für die Simulation der Containmentphänomene erreicht. Mit den im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Arbeiten ist gewährleistet, dass das Programmpaket AC2 das fortschreitende Modellwissen sowie die gesamte Erfahrung auf dem Gebiet der Stör- und Unfallanalysen seit Bestehen der GRS integriert. Datei-Upload durch TIB In the AC² programme package developed by GRS, COCOSYS (Containment Code System) is the detailed analysis tool for simulating relevant processes and conditions in the containment of nuclear power plants (NPPs). AC2/COCOSYS is used to analyse reactor safety issues. In this project, certain models were improved or supplemented in COCOSYS in order to be able to calculate both the containment behaviour and release paths from the containment for a wide range of NPP technologies according to the current state of the art in S&T. This was achieved by working on five topical areas:

Thermal hydraulics in the containment: For the simulation of containment depressurisation with building condensers as level 3 safety system (e.g., in the VVER-1200 or in the HPR1000), models for the condensation heat transfer between the containment atmosphere and the outside of the heat exchanger were extended and upgraded for coupling with ATHLET (with the latter describing the water/steam circuit within the heat exchanger). For the simulation of a temperature distribution in a water pool in the containment (provided in various NPPs on safety level 3 for the removal of residual heat during incident and accident control, e.g. in the ‘residual heat removal’ systems in the AP1000 or HPR1000) or if a complete filling of originally empty compartments with water is to be simulated, the functionality of the combined gas/water flow model ATM_FULL available for this purpose has been extended (initialisation of a zone subdivision in a filled pool, transport of fission products and aerosols). Behaviour of fission products and aerosols: One of the long-term objectives of COCOSYS development is to replace the previous AFP model for simulating aerosol and fission product behaviour in COCOSYS with the new development AFP2 (former working title: ‘NewAFP’), which eliminates the main critical points of AFP and now provides central balances for substance quantities at different levels (chemical compounds, elements or isotopes). In this project, the integration of the relevant sub-models previously lacking in AFP2 has been completed according to the current status of S&T, including the integration of the pH value model in AFP2. With regard to the calculation of the nuclide inventory of reactor cores and the decay processes, the GRS calculation chain AC2 was equipped with an interface that allows a separate code for calculating the isotope behaviour to be connected. This was realised in the project for the VENTINA calculation code developed jointly by GRS and PSI. In this project, the part of the interface required for the COCOSYS models was created and connected to VENTINA. The decay calculations in COCOSYS-AFP2 are now based on VENTINA methods. For the isotope behaviour in coupled calculations with COCOSYS and ATHLET-CD, work is pending on the interface for linking the VENTINA code. Behaviour of the ex-vessel core melt: The COCOSYS-CCI main module is available for the simulation of a non-coolable, compact core melt or the core melt/concrete interaction (MCCI) and has been maintained and updated as part of the project. Based on feedback from application and international technical exchange on issues relating to this thematic complex, improvements were made to existing sub-models as part of this project. The main aspect of the work on ex-vessel melt behaviour was the addition of an approach that, in contrast to MCCI, also takes into account a potentially coolable debris bed configuration in accident simulations. For this purpose, the DEMON model developed by the PSS working group at the Ruhr University Bochum was integrated into COCOSYS in this project and initially adapted to the conditions (and uncertainties) in ex-vessel scenarios in a streamlined approach and tested in the embedding in COCOSYS. Couplings in COCOSYS and AC²: In enhancing the coupling between COCOSYS and ATHLET for heat transfer to structures, the use of the WGR radiation model from COCOSYS for the energy exchange between the surface of a thermal structure calculated in ATHLET and the adjacent containment zone calculated in COCOCSYS has been enabled. Furthermore, COCOSYS has been extended to include data out put in HDF5 format, so that a common data format that can be read with freely avail able software is available for the post-processing of calculation results. As a result, the ATLASneo and Batchplot tools developed for AC2 can also be used now for the graphical visualisation of COCOSYS results. Furthermore, COCOSYS has been prepared as far as possible for the use of the water/steam material properties database of the Zittau-Görlitz University of Applied Sciences. Moreover, the use of the LHEAD model in ATHLET-CD for the simulation of the processes in the lower plenum of the reactor pressure vessel during core degradation was enabled as an alternative to the AIDA model for the coupled calculation with COCOSYS. Cross-sectional activities and user support: GRS continued to participate in various, mainly international, technical groups (OECD-THEMIS, OECD-ESTER, OECD-BCAPFIS, IPRESCA). In addition, user feedback from internal and external utilisations was continuously evaluated in this project in order to improve the code. Through this networking, the quality of the code was constantly maintained and improved in line with the internationally developed state of S&T. Furthermore, manuals have been updated for COCOSYS, which describe the models currently contained in the respective version and their basics as well as their handling when creating input data sets. GRS specifications for quality assurance during code development were adhered to using the latest methods (continuous integration, regression testing) and software management tools (GitLab/Git).

Significant improvements were thus achieved in the COCOSYS model status for the simulation of containment phenomena. The work carried out as part of this project ensures that the AC2 program package integrates the growing model knowledge and the entire experience in the field of incident and accident analyses of GRS.