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.