Thomas Höhne. Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren. Vergleich von Kuhlmittelströmung und -vermischung in einem skalierten Modell des

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1 FZRm21O Februar 1998 Thomas Höhne Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren Vergleich von Kuhlmittelströmung und -vermischung in einem skalierten Modell des D WR Konvoi mit den Vorgängen im Originalreaktor Rechnung mit dem CFD-Code CFX 4.1

2 Herausgeber: FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Postfach D Dresden Telefon (3 51 ) 26 Telefax (3 51 ) Als Manuskript gedruckt Alle Rechte beim Herausgeber

3 Kiihlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren Vergleich von Kühlmittelströmung und -vermischung in einem skalierten Modell des DWR Konvoi mit den Vorgängen im Originalreaktor Rechnung mit dem CFD-Code CFX 4.1 T. Höhne Forschungszentrum Rossendorf Institut für Sicherheitsforschung m

4 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Überblick über das Programmpaket CFX Geometrieaufbereitung und Gittergenerierung Ergebnisse der S trömungsberechnungen Variantenvergleich der wichtigsten Strömungskenngrößen Basis-Kenngrößen der CFD-Rechnungen Vergleich der Strömungsfelder in Modell und Original Vergleich der Vermischungsphänomene Schlußfolgerungen Literatut 7 7. Anhang... 7

5 1. Einleitung Druckwasserreaktoren besitzen mehrere Hauptumwälzschleifen, aus denen bei bestimmten transienten Vorgängen bzw. unter Störfallbedingungen Kühlmittel mit unterschiedlicher Temperatur undoder Borsäurekonzentration in das Reaktordruckgefäß eintreten kann. Auf dem Weg vom Eintrittsstutzen über den Ringraun und das untere Plenum vermischt sich das Kühlmittel, wobei sich die anfänglich zwischen den Schleifen bestehenden Parameterunterschiede abbauen. Die Kühlmittelverrnischung ist jedoch in einigen Fällen unvollständig Am Kerneintritt kann eine ungleichmäßige Parameterverteilung vorliegen, die wegen der Abhängigkeit der neutronenphysikalischen Eigenschaften des Reaktorkernes von der Moderatortemperatur und der Borsäurekonzentration bei einer dreidimensionalen neutronenkinetischen Simulation berücksichtigt werden muß. Um sich ein Bild über die Strömungsvorgänge im Downcomer und und im unteren Plenum eines Druckwasserreaktors machen zu können, wurde mit dem CFD-Code (CFX 3. l) die Strömung mit möglichst realen Randbedingungen nachgerechnet. 2. Überblick über das Programmpaket CFX 4.1 CFX (früher Flow3D) ist ein Finite Volumen Programm, welches folgende Optionen anbietet: Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen für stationäre und instationäre Strömungen kompressibler und nichtkompressibler Fluide Anwendbarkeit für laminare und turbulente Strömungen (verschiedene Turbulenzmodelle) newtonscher und nicht newtonscher Fluide Berücksichtigung von Wärmeübergängen, chemischen Reaktionen und Verbrennungsprozessen Verwendung allgemein'bewegter Koordinatensysteme Für alle vorliegenden instationären CFD-Rechnungen wurde Inkompressibilität des Mediums Wasser angenommen. Für die Beschreibung der Turbulenz wurde das k-epsilon-modell verwendet. 3. Geometrieaufbereitung und Gittergenerierung In den Abbildungen 1-3 ist der Aufbau des Netzgitters zu erkennen. Dabei wurde?\'ert auf eine möglichst originalgetreue Darstellung des Stutzenbereiches 1 Schrägen bzw. der Erweiterungen im Downcomer und der Rundungen der Stutzenpürtien gelegt. Der Bereich hoher Geschwindigkeitsgradienten wurde mit einem dichteren Grid belegt.

6 4. Ergebnisse der Strömungsberechnungen 4.1 Variantenvergleich der wichtigsten Strömungskenngrößen Tabelle 1: Vergleich Original DWR - Modell: Modellmedium Wasser, 2 C Größe Original Druckgefäßinnendurchmesser Druckgefaßhöhe Kühlmitteleintrittsdurchm. Downcomer- Spaltweite Kiihlmittelgesamtdurchsatz Kühlmitteldurchsatz pro Schleife Kühlmitteleintrittsgeschw. Geschwindigkeit im Down- Re Kühlmitteleintritt - Re Downcomer Re Original1 Re Modell

7 4.2 Basis-Kenngrößen der CFD-Rechnungen Aufgrund der sehr hohen Unterschiede zwischen den Reynolds-Zahlen von Original und dem 1 : 1 Modell wurde diese Variante in den CFD-Rechnungen nicht betrachtet. Zusätzlich wurde das Original mit Modellrandbedingnungen (siehe Tabelle 2) rechnerisch simuliert, um einen einheitlichen Vergleich der Vermischung anhand von Temperaturunterschieden zu ermöglichen. Tabelle 2: Randbedingungen der CFD-Rechnungen Größen im Stutzen I Geschwindigkeit im Stutzen Druck Maßeinheit rn/s Original 14.5 Modellrandbedin- Modell k6.66, bar Temperatur (in 3 Schleifen) OC abweichende Temperatur in einer Schleife OC Vergleich des Strömungsfeldes Die Vergleichsebene (Abb. 4) liegt unterhalb der unteren Gitterplatte. Aus den Abb. 5 und B ist erkennbar, daß sich die Form der Felder der Strömungsgeschwindigkeit irn Original unter Mudellrandbedingungen kaum von der Geschwindigkeitsverteilung im Modell unterscheidet. Außerdem veranschaulicht Abb. 5, daß sich die Form der Geschwindigkeitsverteilung irn Konvoi bei Übergang auf Modellrandbedingungen nicht ändert. Übereinstimmend zeigen alle Varianten einen Drall der Strömung des Kühlmittels im unteren Plenum. Dies könnte für die Vermischung unter Umständen günstig sein. In Abb. 8 sind die absoluten Geschwindigkeiten von Original und ModefI entlang einer Linie, welche in der Mitte der geschnittenen Ebene liegt (Abb. 41, gegenübergestellt. Der Vergleich der skalierten absoluten Geschwindigkeit belegt die gute Cbereinstiriiitiung zwischen dem Original bei unterschiedlichen Randbedingungen und den skalierten M~iiellen (.MI 9)- Die lokale aberhöhung der Geschwindigkeit in der Mitte des untersuchten Bereiches an1 Spaltzoneneintfitt wird in allen Rechnungen beobachtet. Plausibel ist auch die APnrihme der Geschwindigkeit an den Riindern als Folge des Kühlrnittelttustritrs aus dem Don nzoriicir an das untere Plenum.

8 4.4 Vergleich Vermischung Als Vergleichsebene ist, wie auch im vorangegangen Kapitel, ein Bereich unterhalb des Spaltzoneneintritts gewählt worden. Für die Berechnung wurde angenommen, daß das Kühlmittel aus einer Schleife mit 4 K Übertemperütur in den Downcomer eintritt (Abb. 7). Das Vermischungsbild von Original und Modell ist fast identisch. Abb. 1 zeigt die auf einer Linie in der zu betrachtenden Ebene liegenden Temperaturverteilungen von Original und dem skalierten Modell. 5. Schlußfolgerung Die Vergleichsrechnungen belegen, daß es ausreichend ist, die Vermischungsvorgänge in einem mindestens 1:6.6 skalierten Modell eines DWR zu untersuchen. Die Parameter (Druck, Temperatur, Geschwindigkeit) erlauben den Aufbau als Plexiglasmodell, das eine optische Beobachtung der Vermischung ermöglicht. Das Forschungszentrum Rossendorf hat mit dem Aufbau eines 1:5 Modells 1997 begonnen.

9 7 6. Literatur Frach, K.-H., Greiner-Mai, H., Suschowk, G.: Physikalische Experimente an Leistungsreaktoren. Akademie-Verlag, Berlin 1982, Ulrych, G., Weber, E.: Neuere Ergebnisse zur Kühlmittelströmung in Druckwasserreaktoren. Atomkernenergie-Kerntechnik 42(1983) 4, Ackermann, G., Dräger, P.: Theoretische und experimentelle Ermittlung der Temperaturverteilung am Eintritt in die Spaltzone des WWER-44. Kernenergie 28(1985) Driäger, P., Makroskopische Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren. Dissertation A, TH Zittau, 1987 Ackermann, G., Sonnenkalb, M.: Näherungsweise Berechnung des Kühlmittel-Strömungsfeldes in Druckwasserreaktoren oberhalb des Reaktorkernes. Kernenergie D(l986) Anhang Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 1 Blockstruktur des Vollmodells Siemens DWR Konvoi Typ Stutzenbereich des Vollmodells Siemens DWR Konvoi Typ Netzgitter des Modelles Lage der Auswerteebene und der Auswertelinie (unterhalb des Spaltzoneneintritts) Geschwindigkeitsverteilungen in der Auswerteebene für den DWR Konvoi unter Real- und Modellbedingungen Geschwindigkeitsverteilungen in der Auswerteebene fur das 1:6.6-Modell bei Entrittsgeschwindigkeiten von 2.2 m/s und 5.5 d s Temperaturverteilungen in der Auswerteebene für das l:6.6-modell bei Entrittsgeschwindiglieiten von 2.2 m/s und 5.5 d s Geschwindigkeitsverteilung auf der Auswertelinie Skalierte Geschwindigkeitsverteilung auf der Auswertelinie Temperaturverteilung auf der Auswertelinie

10 DWR Konvoi Typ Abb. P Biockstruktur des VoIlmodeils Siemens DWR Konvoi Typ

11 DWR Konvoi Typ Abb. 2 Stutzenbereich des Vollmodells Siemens DCVR Konvoi Typ

12 DWR M Abb. 3 Netzgitter des Modelles

13 QWR Konvoi Original Lage der Auswerteebene DWR Konvoi Original Lage der Auswertelinie Abb. 4 Lage der Auswerteebene und der Auswertelinie (unterlialb des Spaltzoneneintritts)

14 DWR Konvoi Original m Gcschwindigkeitsvcrteilong LJ DWK Konvoi Original n-ll Abb. 5 Geschwindigkeitsverteilungen in der Auswerteebene für den DWR Konvoi unter Real- und Modelibeclingungen

15 I DWR 1:6.6 Gescbwindigteitsverteilung U1! DWR 1: mls Abb. 6 Geschwindigkeitsverteilungen in der Auswerteebene für das f 6.6-Modell bei Entrittsgeschwindigkeikn von 2.2 nda und 5.5 mfs

16 DWR Original DWR 1: m/s Abb. 7 Temperaturverteieilungen in der Auswerteebene für das 1:6.6-Modell bei Entrittsgeschwindigkeieeii von 2.2 m/s und 5.5 m/s.

17 W 4 'J' W 'J'- P W - P D 'J'- m U1 z- 'I D * m (V D - (V 'J'-? W U, 7 Abb. 8 Geschwindigkeitsverteilung auf der Auswertelinie

18 Skalierte GescihwindigkeitsverteiIung auf der Auswertelinie

19 Temperaturverteilung unterhalb des Spaltzoneneintritts -e DWR Original low temp -X- DWR 1: m/s

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