Verbesserungen der Simulation von Siedevorgängen in AC² bei lokalem Eintrag von Wärme in Wasserpools (SIWAP)

Abstract

In den Sicherheitskonzepten vieler fortschrittlicher Reaktoranlagen – insbesondere der Generation III+ und kleiner modularer Reaktoren (SMR) – ist die Abfuhr von Nachzerfallswärme an große Wasserpools, die innerhalb oder außerhalb des Containments angeordnet sind, zur Stör- und Unfallbeherrschung vorgesehen. Damit die Bundesregierung bei Ereignissen in solchen Anlagen aussage- und diskussionsfähig bleibt, müssen belastbare Simulationen zur Sicherheitsbewertung mit der nationalen Rechenkette, welche das Codesystem AC² beinhaltet, durchgeführt werden können. Das Forschungsvorhaben SIWAP wurde mit dem Ziel durchgeführt, die verfügbaren Modelle in AC², mit denen relevante Phänomene in Wasserpools mit lokalem Wärmeeintrag simuliert werden, zu vereinheitlichen und zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, fand zunächst eine Harmonisierung und Erweiterung der Wärmeübergangsmodellierung in AC² bei freier Konvektion und Sieden statt. Insbesondere die Modellbasis des AC²-Programms COCOSYS konnte durch die Einführung von Wärmeübergangskorrelationen zum Filmsieden und zur Wärmeübertragung an der Außenseite von Rohrbündeln deutlich erweitert werden. Des Weiteren wurde eine Verbesserung der numerischen Stabilität beim Regimewechsel zwischen verschiedenen Wärmeübergangsmodellen erreicht. Da bei der realistischen Wasserpoolsimulation mit den AC²-Codes immer auch ein so-genanntes Gemischspiegelmodell zur Anwendung kommt, welches in der Vergangenheit bei Siedebedingungen und verfeinerter Unterteilung des Wasserpools zu numerischen Problemen geführt hat, wurden diesbezüglich Modellverbesserungen in ATHLET und COCOSYS implementiert, um das numerische Verhalten zu stabilisieren. Beide Programme wurden im Laufe des Projektes signifikant verbessert, allerdings konnten nicht alle Probleme mit dem in ATHLET enthaltenen Gemischspiegelmodell gelöst werden. Da die Ursache hierfür modellinhärent zu sein scheint, wird die Entwicklung eines alternativen Gemischspiegelmodells empfohlen. Um Siedevorgänge in Wasserpools berechnen zu können, muss der eingesetzte Simulationscode in der Lage sein, die Produktion von Dampf unterhalb der Wasseroberfläche sowie den Transport dieses Dampfes an die Oberfläche abzubilden. Vor Projektbeginn war dies in COCOSYS ausschließlich bei Anwendung einer Ein-Zonen-Nodalisierung möglich. Da für eine realistische Wasserpoolsimulation – insbesondere zum Auflösen thermischer Schichtungen – jedoch eine feine Nodalisierung erforderlich ist, wurde COCOSYS um Modelle zum Wärme- und Dampftransport erweitert und somit zur Mehr-Zonen-Simulation eines siedenden Wasserpools ertüchtigt. Die Entwicklungsarbeiten wurden durch Verifizierungs- und Validierungsrechnungen begleitet – einerseits, um die neuen Implementierungen zu testen, und andererseits, um Anwendungsrückflüsse zeitnah in die Entwicklung einbeziehen zu können. Im Zuge dieser Rechnungen wurden außerdem bis dato unbekannte Probleme in den AC²-Programmen aufgedeckt, welche im vorliegenden Bericht ebenfalls beschrieben sind und als Ausgangspunkte für zukünftige Entwicklungen dienen können. The safety concepts of various advanced nuclear power plants – in particular Generation III+ and small modular reactors (SMR) – include the decay heat removal to large water pools located inside or outside the containment to mitigate incidents and accidents. To ensure that the Federal Government of Germany remains able to make statements and engage in discussions in the event of incidents or accidents in such plants, the national computational chain, which includes the AC² code system, must be capable of performing reliable simulations for safety assessment. The research project SIWAP was carried out with the aim of improving and harmonizing the available models in AC² which are used to simulate relevant physical phenomena in water pools with local heat sources. To achieve this goal, the heat transfer modelling in the AC² codes ATHLET and COCOSYS was unified and extended, with a focus on free convection and boiling. Particularly the model basis of COCOSYS was significantly expanded by the introduction of correlations for film boiling and heat transfer on the outside of tube bundles. Furthermore, an improvement in numerical stability was achieved when switching between different heat transfer models during a transient. Since a realistic water pool simulation with the AC² codes always includes the usage of a so-called mixture level model, which in the past has led to numerical problems under boiling conditions and with a refined subdivision of the water pool, model improvements were implemented in ATHLET and COCOSYS in order to stabilize the numerical behavior. Both programs were significantly improved in the course of the project, but not all problems could be solved with the mixture level model contained in ATHLET. Since the underlying causes seem to be inherent in the model, the development of an alternative ATHLET mixture level model is recommended. In order to adequately calculate boiling processes in water pools, the used simulation code must be able to model the production of vapor below the water surface as well as the transport of this vapor to the surface. Before the start of the project, COCOSYS could meet these requirements only when using a single-zone nodalization of the pool. However, for a realistic water pool simulation, a finer nodalization is needed – especially to resolve thermal stratification. Therefore, COCOSYS was expanded to include models for the transport of vapor and thermal energy and was thus enabled for multi-zone simulations of boiling water pools. The program developments were accompanied by verification and validation calculations – both to test the new implementations and to provide feedback to the development regarding potential for improvement. In the calculations, also previously unknown problems in the AC² programs were detected. These problems are described in the report at hand, too, and may serve as starting points for future developments.