Sicherheitsanalyse zur Auslegung eines Core-Catchers für einen heliumgekühlten schnellen Brüter

Sanei, Nader; Kugeler, Kurt

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-11627

Sicherheitsanalyse zur Auslegung eines Core-Catchers für einen heliumgekühlten schnellen Brüter

Sanei, Nader

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nader Sanei

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

Umfang243 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kugeler, Kurt (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-06-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-11627
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61878/files/Sanei_Nader.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Schneller Brutreaktor (Genormte SW) ; Kühlmittel (Genormte SW) ; Helium (Genormte SW) ; Kernrückhaltesystem (Genormte SW) ; Bemessung (Genormte SW) ; Sicherheitsanalyse (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Core-Catcher (frei) ; schneller Brüter (frei) ; heliumgekühlt (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In einem hypothetischen Fall wurde angenommen, dass der Kern eines heliumgekühlten schnellen Brüters von 875 MWth. Leistung völlig niedergeschmolzen ist. Ein Core-Catcher-Konzept wurde vorgeschlagen, in dem ein Opferstahlbett die Kernschmelze sicher aufnimmt. Über die theoretischen Grundlagen zur wärmetechnischen Behandlung eines Fluids (Schmelze) mit einer volumetrischen inneren Wärmequelle wurde ausführlich berichtet bzw. diskutiert. Für das vorgeschlagene Core-Catcher-Konzept wurde als erster Schritt eine eindimensionale wärmetechnische Modellierung durchgeführt. Dadurch wurden die im Core-Catcher zu behandelnden Vorgänge zusammen mit den dazugehörigen Randbedingungen nach einem schweren Unfall bei einem 875 MWth. heliumgekühlten schnellen Brüter näher erläutert. Es wurde gezeigt, dass solch eine eindimensionale Modellierung aufgrund der fehlenden Nusselt-Zahl-Gleichungen, bzw. der fehlenden dynamischen Gleichungen sowie aufgrund der vielen zu treffenden Vereinfachungen für die Beschreibung der transienten Ereignisse in der Nachunfallsituation bzw. für die wärmetechnische Auslegung eines Core-Catchers nicht ausreichen würde, und daher eine CFD (Computational Fluid Dynamics)-Berechnung zur Modellierung des oben erwähnten Core-Catcher-Konzepts durchzuführen ist. Thermisches Verhalten des Core-Catchers wurde in einer CFD-Analyse ermittelt. Die Simulation wurde mit Hilfe des Flüssigkeitsvolumen- (VOF) und des Phasenänderungsmodells im Rahmen des CFD-Codes FLUENT durchgeführt. Die Wärmequelle in der Zweiphasenschmelze (Stahl und UO2) wurde in Abhängigkeit von der thermischen Reaktorleistung, der Zeit, in der der Reaktor im Normalbetrieb gelaufen war und der Zeit nach der Abschaltung betrachtet. Drei Möglichkeiten wurden behandelt: mit Bodenkühlung unter Verwendung des RNG-k-epsilon und des Standard-k-epsilon Turbulenzmodells sowie ohne Bodenkühlung unter Verwendung des Standard-k-epsilon Turbulenzmodells. In allen betrachteten Fällen erfüllte das vorgeschlagene Konzept eines Core-Catchers die Sicherheitsanforderungen. Ebenfalls wurde eine wärmetechnische Sicherheitsanalyse der Reaktorkaverne parallel zu der des mitkonzipierten Core-Catchers durchgeführt. Der zeitliche Trend der Erosion (sowohl vertikal als auch seitlich) auf der inneren Oberfläche der Reaktorkaverne zeigt, dass die Reaktorkaverne sogar Monate nach einem schweren Unfall die daraus folgende Wärmebelastung aushalten kann. Zusätzlich wurden mit Hilfe des SCALE-Codes auf der Grundlage von Ergebnissen von CFD-Simulationen Kritikalitätsanalysen durchgeführt, um festzustellen, ob die Situation im Core-Catcher neutronen-physikalisch als unterkritisch angesehen werden kann. Die Ergebnisse zeigten durchweg unterkritische Verhältnisse im Corecatcher.

A case has been considered in which the core of a 875 MWth. helium cooled fast breeder reactor is totally molten-down in a hypothetical severe accident. A “core catcher concept” with a sacrificial steel-bed is suggested which should encapsulate the core melt in a safe way. The theoretical backgrounds of the heat transfer processes within a fluid (melt) with a volumetric internal heat source were discussed in detail. For the suggested core catcher concept as the first step a one-dimensional modelling was accomplished through which the procedures as well as the pertinent boundary and initial conditions respectively, required to perform the thermal design of a core catcher for a 875 MWth. helium cooled fast breeder reactor were near described (chapter 3 and appendix 2). It was shown that such a one-dimensional modeling for the lack of proper Nu-equations as well as the relevant fluid dynamics equations and at the same time being forced to take into account too many simplifications thereby would not be sufficient. Therefore a CFD (Computational Fluid Dynamics) computation for the modelling of the suggested core catcher concept was essential. So the thermal performance of the core catcher was surveyed through a CFD-analysis. The simulation was performed using the volume of fluid (VOF) and phase change models within the FLUENT CFD-code. The heat source within the two phase melt (steel and UO2) was considered as a function of the reactor thermal power, the time that the reactor has been operating under normal conditions, and the time after shut-down. Three options have been considered namely: without bottom-cooling, using standard k-epsilon turbulence model (option A) and with bottom-cooling, using two different turbulence models, i.e. the RNG k-epsilon model (option B) and the standard-k-epsilon model (option C). It was found that the suggested core catcher concept matches the safety requirements in all considered cases. Likewise a thermal safety analysis of the reactor cavern was accomplished parallel to that for the along-conceived core catcher. The calculated trend of the erosion (both vertically and laterally) on the internal surface of the reactor cavern showed that the reactor cavern can withstand the thermal load even months after a severe accident in a safe manner. And using the SCALE-code on the basis of CFD-simulation results criticality analyses were performed in addition to ensure if the situation in the core catcher can be considered as sub-critical from neutron-physical point of view. The results showed through out sub-critical conditions in the core catcher.

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