ATHLET-CD

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© iStockphoto.com/ Andrey Prokhorov

Analysesoftware für Leichtwasserreaktoren zu Unfällen mit Kernzerstörung und Spaltprodukten

Zur Simulation von Störfallabläufen im Rahmen von Sicherheitsanalysen für Kernkraftwerke wird gefordert, deterministische Rechenprogramme einzusetzen, die nach Stand von Wissenschaft und Technik möglichst realistische Ergebnisse (”best estimate”) liefern. Die GRS entwickelt und validiert die Software ATHLET (Analyse der Thermohydraulik von Lecks und Transienten) für Transienten und Störfälle ohne wesentliche Kernschäden und ATHLET-CD (Core Degradation) für Störfälle mit schweren Kernschäden.

Entwicklung und Validierung
Die Entwicklung und Einbindung von Modellen in ATHLET-CD erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Kernenergetik und Energiesysteme (IKE) der Universität Stuttgart. Durch die Modelle zur Bildung und Verlagerung metallischer und keramischer Schmelzen im Kernbereich und zum thermischen Verhalten von Partikelbetten, sowie zur Freisetzung von Spaltprodukten und Aerosolen im Kernbereich und zu deren Transport und Ablagerung im Kühlkreislauf wurde das Anwendungsspektrum des Rechenprogramms wesentlich erweitert.

Dies wird durch erfolgreiche Nachrechnungen von Bündel- und Integralversuchen, wie z.B. CORA, QUENCH, LOFT-LP-FP2 und PHÉBUS FP (Ritter 2002), oder des TMI-2 Unfalls (Austregesilo 2007) und des Störfalles in Paks-2 (NEA 2008) nachgewiesen. Wie anhand der im Rahmen des Internationalen Standard Problems (ISP) 46 durchgeführten Rechnung zu PHÉBUS FPT1 gezeigt wurde, können mit der mit COCOSYS gekoppelten Version auch vollständige Anlagensimulationen durchgeführt werden.

Modularer Aufbau
Die ATHLET-CD-Struktur ist modular aufgebaut, um einerseits eine Vielzahl an Modellen für die Simulation anzubieten und andererseits eine günstige Plattform zur Weiterentwicklung zu schaffen. Zur umfassenden Simulation der Thermo-Fluiddynamik im nuklearen Dampferzeugungssystem ist das Rechenprogramm ATHLET vollständig eingebunden (Teschendorff 1996).

ATHLET umfasst Module für die Thermo-Fluiddynamik (TFD), für die Wärmeleitung und Wärmeübertragung (HECU), für die Neutronen-Kinetik (NEUKIN), für die Steuerung und Regelung (GCSM) und zur Lösung der Differentialgleichungen (FEBE).

Das Modul ECORE beinhaltet Modelle für Brennstäbe, Steuerstäbe und Brennelementkästen. Das Modul beschreibt das mechanische Brennstabverhalten, die Oxidation von Zirkonium und Borkarbid, die Auflösung von Brennstoff durch Zirconium und von Borkarbid durch Stahl sowie das Schmelzen von metallischen und keramischen Komponenten. Zusätzlich beschreibt das Modul FIPREM die Spaltprodukt- und Aerosolfreisetzung anhand von Arrhenius-Gleichungen. Transport und Rückhaltung der Spaltprodukte und Aerosole werden mit dem Modul SOPHAEROS simuliert, das vom französischen Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucleaire (IRSN) entwickelt wird.

Schnittstellen zu anderen Programmen
Das Modul MEWA zur Simulation der Partikelschüttung ist bereits in ATHLET-CD implementiert. Es hat seine eigene Fluiddynamik für die Strömung in porösen Medien und ist an den Rändern mit der ATHLET-Fluiddynamik gekoppelt. Der Übergang von der nahezu intakten Kerngeometrie (ECORE) zur Partikelschüttung (MEWA) erfolgt abhängig vom lokalen Grad der Kernzerstörung. Das Programmsystem ATHLET/ATHLET-CD ist außerdem mit dem Containment Code System COCOSYS gekoppelt und wird als wesentliches Prozessmodell für Kernreaktoren in dem interaktiven Simulationssystem ATLAS verwendet.