(GRS-814) Weiterentwicklung hochauflösender Multi-Physik-Rechenmethoden zur Sicherheitsbewertung von SWR mit TORT-TD/CTF und CFD

Förderkennzeichen 4722R01275

Ziel des Eigenforschungsvorhabens war die Weiterentwicklung der im Rahmen des Vorgängerprojekts 4718R01316 bereitgestellten, gekoppelten hochauflösenden Multi-Physik-Rechenmethoden der GRS zur Sicherheitsbewertung von Siedewasserreaktoren (SWR). Im Zentrum standen dabei die Einbeziehung von Computational-Fluid-Dynamic-Simulationen (CFD) und Modellerweiterungen zur Untersuchung lokaler CRUD-Phänomene. Die Motivation hierfür ergab sich aus lokalen Befunden (V-Marken) an SVEA-96 Optima2-Brennelementen des schweizerischen Kernkraftwerks Leibstadt (KKL), die zunächst als Dryout, später jedoch als CRUD (Chalk River Unidentified Deposits) identifiziert wurden. CRUD ist von sicherheitstechnischer Bedeutung, da hierdurch u. a. der Wärmeübergang vom Brennstoff ins Kühlmittel behindert und somit beispielsweise bei Transienten höhere Brennstoff- und somit Hüllrohrtemperaturen auftreten können. Laufende Optimierungen haben zu neutronenphysikalisch und thermohydraulisch komplexen SWR-Brennelementen geführt, die ebenso komplexe Moderator- und Kühlmittelströmungseffekte nach sich ziehen, welche wiederum die neutronenphysikalischen Verhältnisse beeinflussen. Dieses Vorhaben zielte daher darauf ab, diese Aspekte durch Weiterentwicklungen der gekoppelten Multiphysik-Modellierungs- und Simulationsverfahren (TORT-TD/CTF) sowie der CFD-Simulationstechnik (OpenFOAM) der GRS zu adressieren und durch gezielte stationäre und transiente Analysen die Auswirkungen der genannten Phänomene auf sicherheitsrelevante Parameter zu studieren. Die durchgeführten Sicherheitsanalysen zeigten, dass CRUD je nach Schichtdicke und Wärmeleitung Brennstofftemperaturerhöhungen von lokal um 15 % und darüber nach sich zieht. Voller hydraulischer Ausgleich zwischen den vier Teilbündeln des Brennelements führt zu geringerem MASL als fehlender hydraulischer Ausgleich, sowohl im stationären als auch im transienten Fall (Ereignis: Turbinenschnellschluss ohne Verfügbarkeit der Frischdampfumleitstation). Gegenüber einer homogenen Eintrittsmassenstromverteilung in den Unterkanälen des Minikerns hat die Berücksichtigung der aus den CFD-Simulationen abgeleiteten inhomogenen Unterkanal-Eintrittsmassenstromverteilung eine geringfügige Anhebung des MASL zur Folge, im stationären wie auch im transienten Fall.