Verbundprojekt DebriSafe: Studie zur Strömungsinteraktion und Partikelabscheidung an Brennelementfuß und Mischungsgitter bei Betriebs- und Störfallbedingungen - Teilprojekt: Numerische Arbeiten

Abstract

Im Projekt DebriSafe wurden hochaufgelöste experimentelle Daten zur Strömung und Partikelablagerung am Brennelementfuß und im Filterbereich erzeugt und gezielt für die Validierung numerischer Strömungssimulationen genutzt. Dabei konnten erstmals "CFD-grade"- Validierungsdaten für eine komplexe, reaktorsicherheitsrelevante Geometrie bereitgestellt werden, die Geschwindigkeitsfelder, Turbulenzinformationen, Druckverlust und Partikelablagerung umfassen. Auf dieser Grundlage wurden bei Framatome CFD-Modelle in STAR-CCM+ und OpenFOAM für einphasige Strömung sowie für Debris-beladene Betriebsbedingungen aufgebaut und mit den Messdaten verglichen. Für die einphasige Strömung zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation; für die Partikelmodellierung konnten wesentliche Mechanismen der Abscheidung nachvollzogen und zugleich verbleibende Modellierungsgrenzen, insbesondere bei der lokalen Ablagerung und Partikelrotation, identifiziert werden. Ergänzende zeitaufgelöste Untersuchungen mit High-Speed-Kamera lieferten zusätzliche Erkenntnisse zur Partikelbewegung. Insgesamt trägt das Vorhaben damit zur methodischen Absicherung numerischer Nachweiswerkzeuge, zur sicherheitstechnischen Bewertung relevanter Strömungs- und Partikelphänomene sowie zum Kompetenzerhalt in der Reaktorsicherheitsforschung bei. In the DebriSafe project, high-resolution experimental data on flow behavior and particle deposition at the fuel assembly bottom nozzle and filter region were generated and specifically used for the validation of computational fluid dynamics (CFD) models. For the first time, CFD-grade validation data were made available for a complex reactor-safety-relevant geometry, including velocity fields, turbulence information, pressure loss, and particle deposition. Based on these data, Framatome developed and assessed CFD models in STAR-CCM+ and OpenFOAM for single-phase flow as well as for debris-laden operating conditions. Good agreement between experiment and simulation was achieved for the single-phase reference case, while particle simulations reproduced the overall deposition behavior but also revealed remaining limitations in the modeling of local deposition patterns and particle rotation. Additional time-resolved high-speed camera investigations provided further insight into particle motion near the filter. Overall, the project contributes to the validation of numerical safety assessment tools, to the safety-related evaluation of flow and debris phenomena in fuel assembly components, and to the retention and advancement of scientific and technical competence in nuclear safety research.