Genehmigungsverfahren. Jahrestagung Kerntechnik, Berlin 2011

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1 CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren Dr. F. Blömeling, Dr. A. Schaffrath, Dipl.-Ing. P. Pandazis Jahrestagung Kerntechnik, Berlin

2 Inhalt 1. Kerntechnisches Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 2. Anforderungen an rechnerische Analysen 3. CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 4. Beispiele: 1. Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb 2. Absicherung ggegen g sprödes Versagen 5. Zusammenfassung 2

3 Kerntechnisches Aufsichts- und Genehmigungsverfahren Gutachter in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren: von den Landesbehörden beauftragt prüft Nachweise der Betreiber Prüfung der Einhaltung von Anforderungen nach Stand von Wissenschaft und Technik (z.b. zur Sicherheit von Druckbehältern) Software wird für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt, z.b.: Neutronenphysik (CASMO/SIMULATE) Systemcodes (ATHLET) Strukturmechanik (ANSYS) qualifizierte und seit Jahren bewährte Werkzeuge im Regelwerk Anforderungen an Nachweisverfahren Welche Rolle spielen CFD-Codes? Codes? 3

4 Anforderungen an rechnerische Analysen Stützpfeiler einer verlässlichen Anwendung rechnerischer Analyse- methoden: numerisches Verfahren Verifikation Validierung Spezifikation von Unsicherheiten Anforderungen hierzu finden sich z.b. in den RSK-Leitlinien, RSK-Empfehlungen, KTA-Regeln, international: IAEA Safety Reports, NRC Guidelines 4

5 Anforderungen an rechnerische Analysen RSK-Leitlinien für Druckwasserreaktoren, Kapitel Annahmen für die Kernnotkühlrechnungen experimentell abgesicherte Nachweise Randbedingungen werden vorgeschrieben Ausströmraten, Wärmeübergang, Pumpenverhalten, Leistungsverteilung im Kern, keine experimentell abgesicherten Daten Leitlinien legen konservative Randbedingungen/Modelle fest 5

6 Anforderungen an rechnerische Analysen RSK-Empfehlung vom 20./ Anforderungen an die Nachweisführung bei Kühlmittelverluststörfall- Analysen Unterscheidung in best-estimate und vereinfachte Analysen best-estimate -Vorgehen: physikalisch h möglichst realistische Modelle Eignung eines Rechenmodells muss durch die Validierung nachgewiesen werden Skalierungseffekte berücksichtigen Unsicherheitsanalyse h it vereinfachtes Vorgehen: Voraussetzung: konservative Werte für sensitive Einflussparamter Unsicherheiten müssen abgedeckt werden keine Quantifizierung der Ergebnisunsicherheiten notwendig 6

7 Anforderungen an rechnerische Analysen KTA Anhang B Rechnerische Methoden Diskretisierungsfehler: physikalische Diskretisierung Rundungsfehler Abbruchfehler bei iterativen Verfahren Festlegung g von Anzahl und Lage der Knotenpunkte Festlegung der Last- oder Zeitinkremente Dokumentation der Rechenprogramme Zuverlässigkeit der Rechenprogramme modularer Aufbau, standardisierte Programmiersprache zentrale Programmwartung großer Benutzerkreis, häufiger Programmeinsatz 7

8 Anforderungen an rechnerische Analysen KTA Anhang B Rechnerische Methoden Beurteilung der Rechenergebnisse physikalische Kontrolle (Plausibilität der Ergebnisse) numerische Kontrolle: Untersuchung des Einflusses der Abbruch- und Rundungsfehler Verfeinerungen des Netzes Untersuchung des Lösungsvektors Vergleich mit Ergebnissen aus anderen Untersuchungen andere Rechnungen andere Methoden Experimente 8

9 CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren CFD-Analysen bieten sich an, wenn 3D-Phänomene maßgeblich für die Beantwortung einer Fragestellung sind, Bsp.: Absicherung gegen sprödes Versagen (Thermoschocks) Aufrechterhaltung der Unterkritikalität (Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb) anhaltend großer Validierungs- und Forschungsbedarf stetige Vergrößerung der experimentellen Datenbasis für 3D-Analysen insbesondere bei Mehrphasen-Strömungen verlässliche blinde Vorausrechnungen sind schwierig bisher werden CFD-Analysen i.d.r. genutzt, um Versuche nachzurechnen Erfüllung der Anforderungen an belastbare CFD-Analysen ist aufwändig und anspruchsvoll 9

10 CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren Ist-Stand: In der Praxis wird für die Nachweise im kerntechnischen Aufsichtsund Genehmigungsverfahren auf Experimente oder konservative Modellansätze zurückgegriffen! CFD-Analysen dienen zur Unterstützung der Nachweise Gutachter nutzen CFD-Analysen als diversitäres Prüfinstrument 10

11 CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren Ausblick: Trend hin zu best-estimate -Analysen Etablierung von CFD-Analysen wird voranschreiten es wird derzeit viel Forschung betrieben, um den Bedarf an geeigneten Modellen und Daten zu bedienen stetig wachsende Validierungsbasis, Entwicklung von Best- Practice-Guidelines stärken das Vertrauen in CFD-Analysen CFD-Analysen bieten viele Vorteile: realitätsnahe Modellierung hohe räumliche/zeitliche Auflösung tieferes Verständnis physikalischer Vorgänge g 11

12 Beispiel 1: Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb Hintergrund KMV im Druckwasserreaktor: nach RESA wird Borsäure benötigt, um den Kern unterkritisch zu halten nach einem Reflux-Condenser-Betrieb kann Kondensat aus den Pumpenbögen in den RDB gelangen und die Borsäurekonzen- tration im Kern absenken Ziel der Analysen: Durch die Absenkung der Borkonzentration darf der Kern nicht wieder kritisch werden! Bestimmung der minimalen Borkonzentration, die nach dem Reflux- Condenser-Betrieb am Kerneintritt auftreten kann CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

13 Beispiel 1: Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb experimentelle Daten aus versch. Versuchsanlagen: Upper Plenum Test Facility (UPTF) 1:1-Nachbau eines Primärkreislaufs warmes und kaltes Wasser statt Borsäure Primärkreislauf Versuchsanlage (PKL) Maßstab 1:145 Höhenverhältnisse im Originalmaßstab Untersuchungsziele: Größe der Kondensatpfropfen Umlaufmassenströme Vermischungsphänomene beim Wiederauffüllen Rossendorf Coolant Mixing Test Facility (ROCOM) Maßstab 1:5 Gittersensoren in den Kaltsträngen, im Ringraum und am Kerneintritt Ergebnisse auf die Originalanlagen übertragbar nutzt die PKL-Versuchsergebnisse für die Randbedingungen 13

14 Beispiel 1: Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb Versuch PKL III E2.3 Szenario: kleines, heißseitiges Leck bei vorzugsweise heißseitiger Sicherheitseinspeisung (Vorkonvoi, Konvoi) sogenanntes LOBI -Szenario: Notkühleinspeisung in zwei Schleifen Umlenkung der Sicherheitseinspeisung in Richtung der Dampferzeuger Naturumlauf reißt nur in den unbespeisten Schleifen ab inkl. Druckspeichereinspeisung ohne ND-Einspeisesysteme CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

15 Beispiel 1: Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb ROCOM-Modell: Modellierung des RDB mit vier Strängen detaillierte t Abbildung der Siebtonne im unteren Plenum zur Vereinfachung setzt sich die Stauplatte und der untere Rost aus 193 Rohren zusammen (eines pro Brennelement) Kondensatpfropfen (blau) in zwei Schleifen (1,8 m vom RDB entfernt) Stauplatte, unterer Rost Siebtonne Pfropfen CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

16 Beispiel 1: Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb Hybrides Rechengitter: kalte Stränge, Ringraum und unteres Plenum: strukturiert, mit Hexaeder-Elementen Siebtonne, unterer Rost und Kerneintritt: unstrukturiert, mit Tetraedern 3,5 Millionen Zellen CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

17 Beispiel 1: Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb 0,8 0,7 Kerneintritt i rel. Salzge ehalt 06 0,6 0,5 0,4 0,3 Experiment (max. Werte) Experiment (Durchschnittswerte) CFX (max. Werte) CFX (Durchschnittswerte) 0,2 0, Zeit [s] CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

18 Beispiel 2: Absicherung gegen sprödes Versagen Hintergrund Der Reaktordruckbehälter muss gegen sprödes Versagen ausgelegt sein! sprödes Versagen: kleine Risse im Material thermische h Spannungen hoher Druck schnelles Risswachstum Ursachen: schnelle Temperaturänderungen große, lokale Temperaturunterschiede Versprödung durch Neutronenfluenz CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

19 Beispiel 2: Absicherung gegen sprödes Versagen Beispiel: Kühlmittelverluststörfälle Temperaturschock: 2F-Bruch einer Hauptkühlmittelleitung schnellstmögliche Abkühlung im RDB hohe Einspeisung von Notkühlmittel sehr gute Vermischung im RDB ATHLET lokale Temperaturunterschiede: kleine und mittlere Lecks im Primärkreislauf Kaltwassersträhnen und streifen im Ringraum des RDB niedrige Temperaturen unterhalb der Einspeisestutzen hohe Temperaturen außerhalb der Strähnen/Streifen 1D-Analysen reichen nicht CFD-Analysen Außenkühlung Strömungsspalt zwischen Doppelrohren und Eintrittsstutzen Kühlung des RDB von außen durch Wasserstreifen bei Riss in der Stutzennaht 19

20 Beispiel 2: Absicherung gegen sprödes Versagen Strähnenkühlung im Ringraum: kleines Leck im Primärkreislauf zwei Sicherheitseinspeisepumpen speisen in benachbarte Stränge beständiger Naturumlauf niedrigste Temperaturen im Bereich des Stutzenknies 20

21 Beispiel 2: Absicherung gegen sprödes Versagen Schichtströmung im Kaltstrang Vermischung von Notkühl- und Umlaufwasser am Einspeise- stutzen Sicherheitseinspeisung entweicht fast vollständig durch das Leck HKMP Einspeisestutzen RDB HKMP Leck RDB 21

22 Beispiel 2: Absicherung gegen sprödes Versagen Außenkühlung kreisförmiger Spalt zwischen Doppel- rohr und dstutzen Leckagewasser Führung des Was- RDB- sers durch Schräge Stutzent am Stutzen Benetzung der RDB- Wand rund um den Stutzen Streifenbildung unterhalb des Stutzens 22

23 Zusammenfassung im kerntechnischen Regelwerk sind hohe Anforderungen u.a. an die Anwendung von Rechenprogrammen, die Validierung, die Behandlung von Fehlern, die Quantifizierung von Unsicherheiten festgelegt CFD-Analysen spielen derzeit eine untergeordnete Rolle in kerntechnischen Aufsichts- und Genehmigungsverfahren große Fortschritte bei Wissen, Daten, Rechnerkapazitäten und der Bestimmung von Unsicherheiten CFD-Analysen sind perspektivisch die Nachweismethode der Zukunft aktuelle Anwendungsbeispiele für CFD-Analysen: Absicherung gegen sprödes Versagen Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb 23

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