(GRS-657) CFD-Untersuchungen von multiphysikalischen Phänomenen im Rahmen der Sicherheitsbewertung bestehender Reaktoranlagen

A. Papukchiev, J. Herb, Z. Yang

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts RS1566 „CFD-Untersuchungen von multiphysikalischen Phänomenen im Rahmen der Sicherheitsbewertung bestehende Reaktoranlagen“ (MULTISIM-II) wurden entsprechende Verfahren zur Berechnung von dreidimensionalen thermohydraulischen Strömungs- und Wärmeübergangsphänomenen in Kernkraftwerken bereitgestellt, weiterentwickelt, erprobt und anschließend validiert. Die Schwerpunkte lagen auf der Berechnung von strömungsinduzierten Schwingungen mit Hilfe von multiphysikalischen Rechenprogrammen sowie auf der Konsolidierung der Kopplungsschnittstellen und Validierung von mehrskaligen gekoppelten thermohydraulischen 1D-3D-Codes.

Ziel der Untersuchungen zu strömungsinduzierten Schwingungen war es, reaktortypische, strömungsinduzierte Schwingungsphänomene analysieren und bewerten zu können. Es wurden zwei Fluid-Struktur-Interaktions- (FSI)-Verfahren zur Analyse des Vattenfall Neutron Detection Housing Vibration Experiment eingesetzt. Das erste ist die CFD-CSM-Kopplung ANSYS CFX-MOR und das zweite die volle multiphysikalische CFD-CSM-Kopplung ANSYS CFX-Mechanical. Diese unterscheiden sich in ihrem Einsatzbereich, in der erreichbaren Genauigkeit und im Rechenaufwand. Die beiden gekoppelten multiphysikalischen Rechenverfahren wurden verglichen und anhand der Vattenfall-Daten validiert. Validierungsarbeiten zu diesem Versuch wurden auch im Rahmen der europäischen Initiative VIKING (Vibration ImpaKt In Nuclear power Generation) durchgeführt. Um die multiphysikalischen Rechenprogramme auch für strömungsinduzierte Schwingungen von reaktorrelevanten Strukturen in Querströmungen zu untersuchen, nimmt die GRS an dem aktuellen OECD/NEA FSI-Benchmark teil. Die wesentlichen Forschungsaktivitäten sind in diesem Bericht zusammengefasst.

Die verschiedenen Kopplungsvarianten des Programmsystems AC2 wurden in einem einheitlichen System konsolidiert. Damit wird auch die zukünftige Pflege und Wartung der Kopplung erleichtert, da diese von den jeweiligen Programmversionen weitgehend unabhängig ist. Im Rahmen von RS1566 wurde die Kopplung zwischen ATHLET und den CFD-Rechenprogrammen ANSYS CFX und OpenFOAM konsolidiert: das existierende Ablaufschema der Kopplung ATHLET-ANSYS CFX wurde an das der ATHLET-OpenFOAM-Kopplung angepasst. Weiterhin wurden Verifizierungsrechnungen durchgeführt.

Vor dem Hintergrund der wachsenden Bedeutung der gekoppelten ATHLET-CFD-Analysen wurde ATHLET-ANSYS CFX anhand des Versuchs ROCOM PKLIIIT1.2 validiert. In diesem Fall erfolgte die Kopplung an den drei kalten und drei heißen Strängen des ROCOM-Druckwassersimulators. Die erzielten Ergebnisse für den Vermischungsskalar wurden mit Versuchsdaten verglichen und dabei konnte für die meisten der untersuchten Messstellen eine gute Übereinstimmung festgestellt werden.

Die Bestimmung der kritischen Wärmestromdichte bei Zweiphasenströmungen ist für die sicherheitstechnische Bewertung von Leichtwasserreaktoren von übergeordneter Bedeutung. Im Rahmen des vorliegenden Projekts werden verschiedene Modelle in Open-FOAM implementiert und validiert. Das Hauptziel ist eine verbesserte Modellierung von Zweiphasenströmungen mit Fokus auf kritische Wärmeströme. Die Forschungsarbeiten ermöglichen eine verbesserte CFD-Simulation der lokalen Siedekrise.