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CFD-Analysen in Aufsichts- und CFD Analysen in Aufsichts und Genehmigungsverfahren Dr F Blömeling Dr A Schaffrath Dipl -Ing P Pandazis Dr. F. Blömeling, Dr. A. Schaffrath, Dipl.-Ing. P. Pandazis Jahrestagung Kerntechnik, Berlin 2011 19.05.2011 CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 1

CFD-Analysen in AufsichtsAnalysen in Aufsichts- und ... · PDF fileInhalt 1. Kerntechnisches Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 2. Anforderungen an rechnerische Analysen 3. CFD-Analysen

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  • CFD-Analysen in Aufsichts- undCFD Analysen in Aufsichts und GenehmigungsverfahrenDr F Blmeling Dr A Schaffrath Dipl -Ing P PandazisDr. F. Blmeling, Dr. A. Schaffrath, Dipl.-Ing. P. PandazisJahrestagung Kerntechnik, Berlin 2011

    19.05.2011CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 1

  • InhaltInhalt

    1. Kerntechnisches Aufsichts- und Genehmigungsverfahren2. Anforderungen an rechnerische Analysen3. CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren4. Beispiele:

    1. Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb2. Absicherung gegen sprdes Versageng g g p g

    5. Zusammenfassung

    19.05.2011CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 2

  • Kerntechnisches Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

    Gutachter in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren:

    Genehmigungsverfahren

    von den Landesbehrden beauftragt prft Nachweise der Betreiber

    Prfung der Einhaltung von Anforderungen nach Stand von Wissenschaft und Technik (z B zur Sicherheit von Druckbehltern)(z.B. zur Sicherheit von Druckbehltern)

    Software wird fr unterschiedliche Aufgaben eingesetzt, z.B.: Neutronenphysik (CASMO/SIMULATE)

    qualifizierte und seit Jahren Systemcodes (ATHLET) Strukturmechanik (ANSYS)

    im Regelwerk Anforderungen an Nachweisverfahren

    qualifizierte und seit Jahren bewhrte Werkzeuge

    g g

    Welche Rolle spielen CFD-Codes?

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    Welche Rolle spielen CFD Codes?

  • Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen

    Sttzpfeiler einer verlsslichen Anwendung rechnerischer Analyse-

    numerisches Verfahren

    methoden:

    Spezifikation von Unsicherheiten

    Verifikation Validierung

    Anforderungen hierzu finden sich z.B. in den RSK-Leitlinien,

    RSK E f hl RSK-Empfehlungen, KTA-Regeln, international: IAEA Safety Reports NRC Guidelines

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    international: IAEA Safety Reports, NRC Guidelines

  • Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen

    RSK-Leitlinien fr Druckwasserreaktoren, Kapitel 22.1.3Annahmen fr die Kernnotkhlrechnungen

    experimentell abgesicherte Nachweise Randbedingungen werden vorgeschrieben Ausstrmraten, Wrmebergang, Pumpenverhalten, Leistungsverteilung im Kern,

    keine experimentell abgesicherten Daten keine experimentell abgesicherten DatenLeitlinien legen konservative Randbedingungen/Modelle fest

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  • Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen

    RSK-Empfehlung vom 20./21.07.2005Anforderungen an die Nachweisfhrung bei Khlmittelverluststrfall-Analysen

    Unterscheidung in best-estimate und vereinfachte Analysen best-estimate-Vorgehen:

    h ik li h li h t li ti h M d ll physikalisch mglichst realistische Modelle Eignung eines Rechenmodells muss durch die Validierung nachgewiesen werden Skalierungseffekte bercksichtigen

    U i h h it l Unsicherheitsanalyse

    vereinfachtes Vorgehen: Voraussetzung: konservative Werte fr sensitive Einflussparamterg Unsicherheiten mssen abgedeckt werden keine Quantifizierung der Ergebnisunsicherheiten notwendig

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  • Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen

    KTA 3201.2 Anhang B Rechnerische Methoden

    Diskretisierungsfehler: physikalische Diskretisierung Rundungsfehler Abbruchfehler bei iterativen Verfahren

    Festlegung von Anzahl und Lage der Knotenpunkteg g g p Festlegung der Last- oder Zeitinkremente Dokumentation der Rechenprogramme Zuverlssigkeit der Rechenprogramme modularer Aufbau, standardisierte Programmiersprachestandardisierte Programmiersprache zentrale Programmwartung groer Benutzerkreis, hufiger Programmeinsatz

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  • Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen

    KTA 3201.2 Anhang B Rechnerische Methoden

    Beurteilung der Rechenergebnisse physikalische Kontrolle (Plausibilitt der Ergebnisse) numerische Kontrolle:

    Untersuchung des Einflusses der Abbruch- und Rundungsfehler Verfeinerungen des Netzes Untersuchung des Lsungsvektors

    Vergleich mit Ergebnissen aus anderen Untersuchungen andere Rechnungen andere Methoden Experimente

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  • CFD-Analysen in Aufsichts- und GenehmigungsverfahrenGenehmigungsverfahren

    CFD-Analysen bieten sich an, wenn 3D-Phnomene mageblich fr die Beantwortung einer Fragestellung sind, Bsp.: Absicherung gegen sprdes Versagen (Thermoschocks) Aufrechterhaltung der Unterkritikalitt (Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb)g ( g )

    anhaltend groer Validierungs- und Forschungsbedarf stetige Vergrerung der experimentellen Datenbasis fr 3D-Analysen insbesondere bei Mehrphasen Strmungen insbesondere bei Mehrphasen-Strmungen

    verlssliche blinde Vorausrechnungen sind schwierig bisher werden CFD-Analysen i.d.R. genutzt, um Versuche nachzurechnen

    Erfllung der Anforderungen an belastbare CFD-Analysen ist aufwndig und anspruchsvoll

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  • CFD-Analysen in Aufsichts- und GenehmigungsverfahrenGenehmigungsverfahren

    In der Praxis wird fr die Nachweise im kerntechnischen Aufsichts-

    Ist-Stand:

    und Genehmigungsverfahren auf Experimente oder konservative Modellanstze zurckgegriffen!

    CFD-Analysen dienen zur Untersttzung der Nachweise Gutachter nutzen CFD-Analysen als diversitres Prfinstrument

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  • CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

    Ausblick:

    Genehmigungsverfahren

    Trend hin zu best-estimate-AnalysenEtablierung 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- stetig wachsende Validierungsbasis, Entwicklung von Best-Practice-Guidelines strken das Vertrauen in CFD-Analysen

    CFD-Analysen bieten viele Vorteile: realittsnahe Modellierung hohe rumliche/zeitliche Auflsung tieferes Verstndnis physikalischer Vorgngep y g g

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  • Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    Hintergrund

    Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    g

    KMV im Druckwasserreaktor: nach RESA wird Borsure bentigt, um den Kern unterkritisch zu halten

    nach einem Reflux-Condenser-Betrieb kann Kondensat aus den Pumpenbgen in den RDB gelangen und die Borsurekonzen-tration im Kern absenkentration im Kern absenken

    Durch die Absenkung der Borkonzentration darfder Kern nicht wieder kritisch werden!der Kern nicht wieder kritisch werden!

    Ziel der Analysen:

    Bestimmung der minimalen Borkonzentration, die nach dem Reflux-Condenser-Betrieb am Kerneintritt auftreten kann

    19.05.2011 12CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

  • Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-BetriebDeborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    experimentelle Daten aus versch. Versuchsanlagen:

    Upper Plenum Test Facility (UPTF) 1:1-Nachbau eines Primrkreislaufs warmes und kaltes Wasser statt Borsure

    Primrkreislauf Versuchsanlage (PKL) Mastab 1:145astab 5 Hhenverhltnisse im Originalmastab Untersuchungsziele: Gre der KondensatpfropfenGre der Kondensatpfropfen Umlaufmassenstrme Vermischungsphnomene beim Wiederauffllen

    Rossendorf Coolant Mixing Test Facility (ROCOM) Rossendorf Coolant Mixing Test Facility (ROCOM) Mastab 1:5 Gittersensoren in den Kaltstrngen, im Ringraum und am Kerneintritt Ergebnisse auf die Originalanlagen bertragbar nutzt die PKL-Versuchsergebnisse fr die Randbedingungen

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  • Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    Versuch PKL III E2.3

    Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    Szenario: kleines, heiseitiges Leck bei vorzugsweise heiseitiger Sicherheitseinspeisung (Vorkonvoi, Konvoi)

    sogenanntes LOBI-Szenario: Notkhleinspeisung in zwei Schleifen Umlenkung der Sicherheitseinspeisung in Richtung der Dampferzeuger

    Naturumlauf reit nur in den unbespeisten Schleifen ab

    inkl. Druckspeichereinspeisunginkl. Druckspeichereinspeisung ohne ND-Einspeisesysteme

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  • Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-BetriebDeborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    ROCOM-Modell: Modellierung des RDB mit vier

    Strngend t illi t Abbild d detaillierte Abbildung der Siebtonne im unteren Plenum

    zur Vereinfachung setzt sich die

    Pfropfen

    gStauplatte und der untere Rost aus 193 Rohren zusammen (eines pro Brennelement)(eines pro Brennelement)

    Kondensatpfropfen (blau) in zwei Schleifen (1,8 m vom RDB entfernt) Siebtonne

    Stauplatte, unterer Rostunterer Rost

    19.05.2011 15CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

  • Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-BetriebDeborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

    Hybrides Rechengitter: kalte Strnge, Ringraum und unteres

    Plenum: strukturiert, mit Hexaeder-Ele-menten

    Siebtonne, unterer Rost und Kernein-tritt: unstrukturiert, mit Tetraedern

    3,5 Millionen Zellen

    19.05.2011 16CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

  • Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrie