LEE. Analyse, Simulation und Modellierung der Erosion atmosphärischer Schichtungen mit Lumped Parameter-Codes. Jörg Burkhardt.

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1 Jörg Burkhardt Analyse, Simulation und Modellierung der Erosion atmosphärischer Schichtungen mit Lumped Parameter-Codes Bochum 2013 LEE Schriftenreihe des Lehrstuhls Energiesysteme und Energiewirtschaft 32

2 Kurzfassung Zur Untersuchung von Verläufen und Auswirkungen schwerer Störfälle sowie zur Entwicklung von Gegenmaßnahmen werden in der nuklearen Sicherheitstechnik Computer-Codes entwickelt, mit denen die auftretenden physikalischen Phänomene simuliert werden können. Diese sog. Lumped Parameter Codes beruhen meist auf einem Zonen-Prinzip, das es erlaubt, auch komplexe Störfallverläufe in großen mehrräumigen Anlagen bei geringen Rechenzeiten zu simulieren. Dazu ist diesen Codes u. a. eine vereinfachte Strömungsmodellbasis implementiert und es ist meist ein nur geringer lokaler Detaillierungsgrad vorgesehen. In der vorliegenden Dissertation wird die Eignung des von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit entwickelten Codes COCOSYS zur Simulation von lokalen Wasserstoffanreicherungen untersucht. Wasserstoff kann sich im Verlauf schwerer Störfälle mit zumindest partieller Kernschmelze bilden und in den Sicherheitsbehälter freigesetzt werden (wie z.b. während der Reaktor-Unfälle in Harrisburg und Fukushima). Lokal erhöhte Wasserstoff-Konzentrationen können Detonationen bewirken, in deren Folge der Sicherheitsbehälter als letzte Barriere vor der Umwelt versagt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Ausbildung und Erosion von Wasserstoff- Anreicherungen durch auftriebsdominierte Strömungen mit der derzeit implementierten Modellbasis qualitativ sehr gut simuliert werden können. Auf Basis systematischer Gitterstudien wurden allgemeine Gitter-Regeln zur generalisierbaren Simulation von Schichtungserosionen erstellt, die im Rahmen mehrerer blinder Code- Benchmarks erfolgreich angewendet und bestätigt wurden. Durch Detailanalysen konnte gezeigt werden, dass die simulierte Erosionsgeschwindigkeit und damit die Beständigkeit simulierter Wasserstoff- Anreicherungen direkt von der vom Code-Anwender gewählten Raum-Diskretisierung abhängt. Die simulierte Erosionsströmung wird u.a. durch das Zonen-Prinzip künstlich verzögert, weshalb quantitativ korrekte Prognostizierungen zur Beständigkeit von Wasserstoff-Anreicherungen nur bei idealer Wahl der Raum- Diskretisierung möglich sind. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde ein Modell-Konzept entwickelt, das solche Anreicherungen erkennt und die Stärke derer Wechselwirkungen mit beaufschlagten Strömungen anhand dimensionsloser Kennzahlen bestimmt. Durch lokales Ausgleichen von Diskretisierungs-Effekten kann so die Erosion von Wasserstoff- Anreicherungen gesteuert werden. Das Modell befindet sich in der Entwicklungsphase.

3 Abstract The courses and consequences of severe accidents in nuclear power plants are usually simulated with the help of so called Lumped Parameter-Codes which are especially designed for this purpose. These codes are able to simulate complex physical phenomena within short computing times since they are based on a simplified zone principle. Furthermore they are provided with a simplified flow model basis. This dissertation aims at the ability of the German Containment Code System (COCOSYS) to simulate local accumulations of hydrogen. During severe accidents with a melting reactor core (as in Harrisburg or Fukushima) hydrogen can be generated and then be released to the containment. In case of a local accumulation a detonation can occur that endangers the buildings integrity. The results show that the development and the erosion of these hydrogen accumulations based on bouant flows are qualitatively well simulated. From a systematic grid study general rules concerning the simulation of the stratification erosion have been derivated. Those have been applied and confirmed by several blind code-benchmarks. A detailed analysis has shown that the simulated erosion rate and the resistance of simulated hydrogen accumulations are directly related to the grid discretisation chosen by the user. Based upon this analysis a model concept has been developed, which is able to detect hydrogen accumulations and to determine their intensity of interaction with impinging flows by non-dimensional numbers. The erosion flow is controlled by adjusting local grid effects. The model is in the development phase.

4 I 1 Einleitung und Motivation 1 2 Stand der Wissenschaft Wasserstoff in schweren Reaktorstörfällen H 2 -Entstehung und Zündung H 2 -Verteilung und Ausbildung von Leichtgasschichtungen Strömungsgrundlagen Gasströmungen Strömungen in geschichteten Atmosphären Gasverteilungssimulationen in der Reaktorsicherheitsforschung COCOSYS und das Lumped Parameter-Code-Prinzip H 2 -Verteilungsexperimente und deren Simulation Simulationsgrundlagen und -randbedingungen Zusammenfassung 34 3 Simulation von Schichtungserosionen mit LP-Codes Erosion durch auftriebsdominierte Dampfströmungen Untersuchungen zu THAI TH13 (ISP-47) Blinde und offene Simulationen von THAI HM Erosion durch Konvektionsströmungen Blinde und offene Simulationen von THAI TH Blinde und offene Simulationen von THAI TH Zusammenfassung 58 4 Detailanalysen, Programmentwicklung, Gitterstudien Auswertung der verfügbaren Experimentenbasis Wahl der Versuchsbasis 62

5 II Bestimmung der Interaktions-Froude-Zahl Ableitung einer Korrelation für den Erosionskoeffizenten Programmentwicklung zur automatisierten Datensatz-Generierung Gitterstudie zu THAI TH Gitterstudien und Detailanalysen zu THAI HM Gitterstudie Strömung in homogener und inhomogener Atmosphäre Detailanalysen zur Modellentwicklung Prinzip und Gitterabhängigkeit der Erosionssimulation Zusammenfassung und Diskussion Modellentwicklung Modellaufbau Detektion der Leichtgasschicht-Unterkante Lokale Eingriffe in die Erosionsströmung Ergebnisse Modellfälle THAI HM THAI HM Zusammenfassung und Diskussion Zusammenfassung und Ausblick Literatur 137