Analysen auslegungsüberschreitender Ereignisse für bestehende KKW

Transkript

1 Analysen auslegungsüberschreitender Ereignisse für bestehende KKW S. Band, Th. Hollands, S. Schwarz, J. Sievers, M. Sonnenkalb Bereich: Reaktorsicherheitsforschung

2 Gliederung Einleitung GRS-Codes -> auslegungsüberschreitende Ereignisse Analysen auslegungsüberschreitender Ereignisse (Beispiele) ATHLET-CD -> OECD Sandia Fuel Project (SFP) COCOSYS ADINA -> Reko-Konzept für DWR -> Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung 2

3 Analysen auslegungsüberschreitender Ereignisse GRS Codes Einsatz für Stör- und Unfallanalysen im Containment -> Analysen zur Wirksamkeit von Reko s zum H 2 -Abbau Einsatz für strukturmechanische Analysen für Komponenten und Containment -> Dynamisches Verhalten des SHB bei H 2 -Verbrennung Einsatz für Stör- und Unfallanalysen im RKL und im BE- Becken ANSYS Mech. 3

4 ATHLET-CD -> OECD Sandia Fuel Project (SFP) 4

5 OECD Sandia Fuel Project (SFP) ( ) Experimentelle und analytische Untersuchungen zum Verhalten von BE im Lagerbecken unter Luftatmosphäre Phänomene: Aufheizung, Oxidation unter Luft Validierung von Codes Experimente bei Sandia National Laboratories (SNL) im Auftrag der US NRC Experiment in Phase II: 5 BE mit 17x17 BS-Anordnung Zentrales BE elektrisch beheizt (Annahme einer hohen NZL) Periphere BE nicht beheizt Aufheizung der BE bis zur Entzündung (Zirkonbrand) GRS koordiniert Benchmark mit 12 Partnern Codes: ASTEC, ATHLET-CD, DRACCAR, MELCOR und FLUENT Partner: IRSN, GRS, NUBIKI, JNES, KAERI, KINS, CIEMAT, PSI, NRI, USNRC USNRC / SNL 5

6 OECD Sandia Fuel Project (SFP) ( ) 6

7 OECD Sandia Fuel Project (SFP) Code-Benchmark Benchmark, zentrales Element Benchmark, zentrales Element Gute Übereinstimmung für ATHLET-CD. Massenstrom im zentralen, beheizten BE höher, als in den vier peripheren BE. Beginn Entzündung Experiment ExperimentZentral Zentral ATHLET-CD ATHLET-CDZentral Zentral Experiment ExperimentPeripher Peripher ATHLET-CD ATHLET-CDPeripher Peripher NormierteMassenstrom Temperatur Normierter Aufheizung der BE bis zum Zirkonbrand - exotherme Oxidation an Luft Beginn der Entzündung Normierte Zeit Normierte Zeit Entzündung erst im zentralen, beheizten BE; danach in den vier peripheren BE. 7

8 OECD Sandia Fuel Project (SFP) - Ergebnisse Oxidationsverlauf in Luft signifikant anders als unter Dampf -> Zirkonbrand Einfluss ZrN-Bildung in Experiment und Nachrechnungen hoch Benchmark: Ca. 20 thermohydraulische Parameter z.b. Temperaturen und Massenströme wurden für Codevergleich herangezogen Übereinstimmung der Temperaturen im zentralen BE bis Beginn Zirkonbrand (exotherme Reaktion) generell gut danach und in den umgebenden BE stärkere Unterschiede Modellentwicklung in ATHLET-CD weit fortgeschritten Sehr gutes Abschneiden im Vergleich mit anderen Codes Fortsetzung der Modellentwicklung für genannte Phänomene Verhalten bei gemischten Atmosphären Luft / Dampf soll weitergehend untersucht werden -> Ausdampfen BE-Lager USNRC / SNL 8

9 COCOSYS -> Reko-Konzept für DWR Tschernobyl ( ) Umfassende Entwicklung und Einführung des Anlageninternen Notfallschutzes inklusive gefilterter Druckentlastung des SHB und Reko-Konzept zur H 2 -Beherrschung -> Reko s in DWR & SWR-72 ab ca implementiert 9

10 Reko-Konzeptanalysen ( ) RV SRV Triple Loop Reactor Single Loop Pressurizer + Tank Steam EBS -Spray MCP EBS FW 3x SIS VCS 3x Accu's VCS -Spray Steam Collector RPV Failure Accu SIS SRV MCP RV Steam 1 Spray 75 Node Reactor Core FW EBS -Spray VCS -Spray Heater EBS - Extra Borating System VCS - Volume Control System Burst Disks PORV, SRV1+2 SIS - HP+LP Safety Injection System MELCOR Analysen für 4 Unfallabläufe kleine Lecks mit/ohne DE-Wärmeabfuhr Transiente mit Ausfall Speisewasser großes Leck an DH-Leitung Alle Szenarien mit Ausfall Notkühlung -> früher Kernschaden mit relativ viel Dampf im SHB COCOSYS Analysen für Reko-Basiskonzept mit Quelldaten von MELCOR Vergleich mit GASFLOW für ein Szenario Dom * - PAR Position Air System Environment 3 * * * * Venting Filter Environment 1 * FE-Basin * Environment 2 Periph. A * * * * * source data SG Comp. SG Comp. MCP MCP PC Comp. * PC * Comp. * * * Cavity Cavity * Annulus Auxiliary Building 10

11 Nachanalysen für realisiertes Reko-Konzept (2010/11) Trockene Szenarien: kleines/mittleres Leck mit Notkühlung vor Kernschaden Neues COCOSYS Modell: Containment (277 Zonen) und Ringraum (54 Zonen) Simulation des realisierten Reko-Konzepts von GKN-2 Nutzung Erkenntnisse aus ISP zur realistischen Abbildung von Gas-Schichtungen und Öffnungen für Gegenströmungen, Plumes und Möglichkeiten Alt: 196 Zonen, 5 Ebenen im Dom Neu: 277 Zonen, 10 Ebenen im Dom 11

12 Nachanalysen für realisiertes Reko-Konzept (2010/11) Breites Spektrum von Unfallabläufen: Analysen mit neuem Reko-Modell, H2-Verbrennungen, Aerosolverhalten Unterschiedliche Freisetzungsorte und Freisetzungsraten an Dampf / H2 2 dampfreiche und 2 trockene Szenarien Wasserstoff sammelt sich hauptsächlich oberhalb des Freisetzungsortes an H2-Masse Unterschiedliche Konvektion im SHB wegen Verhalten der Berstelemente -> gute Konvektion nur bei großem Leck 12

13 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 8 min: starker Wasser-/Dampfeintrag in SHB, eingeschränkte Konvektion Dampfkonzentration > 80 Vol.% in Anlagenräumen und Übertrag in Dom 13

14 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 4 h 10 min: anhaltender Dampfeintrag in SHB Notkühlung beendet, homogene Dampfverteilung, Dampfkonzentration < 55 Vol.% 14

15 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 5 h 50 min: Beginn H 2 -Eintrag in SHB Dampfkonzentration < 55 Vol.%, lokal ansteigende H 2 -Konzentration & Beginn PAR 15

16 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 6 h 16 min: starker H 2 -Eintrag in SHB Dampfkonzentration < 55 Vol.%, alle PAR i. B., Gefahr lokaler H 2 -Verbrennung 16

17 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 6 h 17 min: starker H 2 -Eintrag in SHB -> Lokale H 2 -Verbrennung Dampfkonzentration < 55 Vol.%, alle PAR i. B. 17

18 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 6 h 50 min: abnehmender H 2 -Eintrag, Homogenisierung Dampfkonzentration < 55 Vol.%, alle PAR i. B. -> abnehmende H 2 -Konzentration 18

19 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff ~9 h: RDB-Versagen und H 2 /CO-Eintrag aus Schmelze-Beton-Ww. in Grube Dampfkonzentration < 55 Vol.%, alle PAR i. B. -> H 2 -Konzentration < 4 Vol.% 19

20 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Dampf Wasserstoff 13 h 50 min: Wassereinbruch in Grube, Dampfkonzentration langfristig steigend H 2 /CO-Eintrag aus Grube anhaltend, O 2 -Restmenge sinkend -> PAR nachlassend 20

21 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA Sauerstoff Wasserstoff 33 h 20 min: H 2 /CO-Eintrag aus Schmelze-Beton-Ww. & Dampfaustrag aus Grube O 2 -Restmenge sinkend -> PAR nachlassend -> SHB inertisiert, keine Verbrennung 21

22 Nachanalysen für real. Reko-Konzept trockenes Szenario, MBLOCA H 2 -Verbrennungsanalysen mit Variation des Zündkriteriums/-ortes -> Abschätzung worst case Lokale H 2 -Verbrennungen in engem Zeitfenster während in-vessel Phase insbesondere bei trockenen Szenarien möglich worst case : Räume mit Verbrennung 0, bar O C Peak-Temperatur an Stahlschale Druck-Peak 200 kg 45 s Verbrannte H 2 -Masse 22

23 Nachanalysen für realisiertes Reko-Konzept Schlussfolgerungen Neue COCOSYS Analysen bestätigen die sicherheitsgerichtete Wirkung des Reko-Konzeptes in DWR. Lokale H 2 -Verbrennungen sind in engem Zeitfenster während in-vessel Phase bei trockenen Szenarien möglich -> kein Widerspruch zu RSK-Konzeptkriterien. Der erweiterte Modellumfang (neues Reko-Modell, H 2 -Verbrennung, Aerosolmodellierung) und die neue Nodalisierung verbessern die Aussagetiefe deutlich. Die Dom Atmosphäre war stets durchmischt. Wasserstoff sammelt sich zuerst in Räumen oberhalb des Leck an -> Gasschichtung im Vergleich zu unteren Anlagenräumen. Es traten keine Gasschichtungen (höhere H 2 -Konzentration) nur oberhalb der Reko s im SB-Dom auf. 23

24 ADINA: Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung 24

25 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Sicherheitsrelevanter Aspekt: Welche Lasten, die aus lokalen H 2 -Verbrennungen herrühren, kann das Containment abtragen? Wandstärke 38 mm 25

26 Belastungen aus H 2 -Verbrennungen/Detonation TMI-2, gemessener / berechneter Containment-Druck bei H 2 -Verbrennung 1979, [EPRI, 2010]: Peak-Höhe: ~0,3 MPa Peak-Dauer: ~10 s ansteigend / >70 s abfallend Fukushima, berechneter Druck im Reaktorgebäude bei H 2 -Explosion 2011, [JNES, 2012]: Peak-Höhe : ~1,5 MPa Peak-Dauer: <100 ms DWR-Konvoi, berechneter Containment-Druck bei H 2 -Verbrennung, COCOSYS Nachanalysen zum PAR-Konzept [GRS, 2012] Peak-Höhe : < 0,05 MPa Peak-Dauer: ~40-70 s Peak-Temperatur: < 370 C 26

27 Strukturmechanisches Model des DWR Containment Model: 3D Modell (ADINA) mit Schleusen und Durchführungen Lasteintragsfläche in Anlehnung an Analysen mit H 2 -Verbrennung (COCOSYS) Variation der Lastannahmen bzgl. Druck und Temperatur: Peak-Werte: MPa / C Peak-Dauer: 16 ms 3600 ms Lasteintragsfläche area of load application (durch Innendruck) 27

28 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 15,0 ms lokales ausbeulen SB-Schale 28

29 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 24,5 ms lokales ausbeulen SB-Schale 29

30 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 34,0 ms lokales einbeulen SB-Schale 30

31 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 43,0 ms lokales einbeulen SB-Schale 31

32 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 50,0 ms lokales ausbeulen SB-Schale 32

33 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 58,5 ms lokales ausbeulen SB-Schale 33

34 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 67,0 ms lokales einbeulen SB-Schale 34

35 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 75,5 ms lokales einbeulen SB-Schale 35

36 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 97,5 ms gedämpfte Schwingung SB-Schale 36

37 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Beispiel: peakartige Druckbelastung Peak-Höhe 1 MPa Peak-Dauer 32 ms Lokale Vergleichsspannung t = 150,0 ms gedämpfte Schwingung SB-Schale 37

38 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Ergebnisse einer Parameterstudie Maximale akkumulierte plastische Dehnung [-] Peak-Dauer [ms] 38

39 Dynamisches Verhalten des DWR Containment bei H 2 -Verbrennung Ergebnisse einer Parameterstudie Druckspitzen von MPa parametrisch mit 3D-Modell untersucht Druckspitzen < 0.4 MPa bewirken keine bleibende plastische Verformung Schwingungen der druckbeaufschlagten Fläche berechnet (Frequenz korreliert mit der Peak-Dauer) Quasi-statisches Verhalten für Druckspitzen mit Dauer > 100 ms Starke Temperatur-Peaks >700 O C rufen u.u. begrenzte Plastifikation und lokales Versagen an der Innenoberfläche des Containments hervor. Berechnete lokale Verbrennungen im DWR, die durch das Reko-System nicht komplett ausgeschlossen werden können, verursachen keine Schädigung des Containments: Druckspitzen: maximal 0.05 MPa Temperaturspitzen: maximal 360 O C 39

40 Zusammenfassung Anwendung von GRS-Codes für auslegungsüberschreitende Ereignisse: Belastung von BE im Lagerbecken ATHLET-CD Grenzbetrachtung bei unterstelltem Leck -> Oxidation der BE unter Luft -> Zirkonbrand und Übergriff auf benachbarte BE Relevanz nur für bestimmte Anlagenzustände gegeben Zukünftig: unterstelltes Ausdampfen des Lagerbeckens -> Oxidation der BE unter Dampf / Luft Gemisch Analysen zum Reko-Konzept COCOSYS Neue Analysen mit 2 dampfreichen und 2 trockenen Szenarien Sicherheitsgerichtete Wirkung des Reko-Konzeptes bestätigt Lokale H 2 -Verbennungen können nicht komplett ausgeschlossen werden Dynamische Containmentbeanspruchung bei H 2 -Verbrennung ADINA Parametrische Untersuchungen zu dynamischen Verbrennungslasten Keine Schädigung des Containments für Beanspruchungen aus COCOSYS- Analysen 40

41 Danke für die Aufmerksamkeit 41