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CFD-Analysen in Aufsichts- undCFD Analysen in Aufsichts und GenehmigungsverfahrenDr F Blömeling Dr A Schaffrath Dipl -Ing P PandazisDr. F. Blömeling, 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 sprödes Versageng g g p g

5. Zusammenfassung


Kerntechnisches Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

Gutachter in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren:

Genehmigungsverfahren

von den Landesbehörden beauftragt prüft Nachweise der Betreiber

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

Software wird für 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 bewährte Werkzeuge

g g

Welche Rolle spielen CFD-Codes?


Welche Rolle spielen CFD Codes?

Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen

Stützpfeiler einer verlässlichen 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


international: IAEA Safety Reports, NRC Guidelines


RSK-Leitlinien für Druckwasserreaktoren, Kapitel 22.1.3„Annahmen für die Kernnotkühlrechnungen“

experimentell abgesicherte Nachweise Randbedingungen werden vorgeschrieben Ausströmraten, Wärmeübergang, Pumpenverhalten, Leistungsverteilung im Kern, …

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



RSK-Empfehlung vom 20./21.07.2005„Anforderungen an die Nachweisführung bei Kühlmittelverluststörfall-Analysen“

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

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

U i h h it l Unsicherheitsanalyse

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



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 Zuverlässigkeit der Rechenprogramme modularer Aufbau, standardisierte Programmiersprachestandardisierte Programmiersprache zentrale Programmwartung großer Benutzerkreis, häufiger Programmeinsatz



KTA 3201.2 Anhang B „Rechnerische Methoden“

Beurteilung der Rechenergebnisse• physikalische Kontrolle (Plausibilität der Ergebnisse)• numerische Kontrolle:

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

• Vergleich mit Ergebnissen aus anderen Untersuchungen andere Rechnungen andere Methoden Experimente


CFD-Analysen in Aufsichts- und GenehmigungsverfahrenGenehmigungsverfahren

CFD-Analysen bieten sich an, wenn 3D-Phänomene maßgeblich für die Beantwortung einer Fragestellung sind, Bsp.: Absicherung gegen sprödes Versagen (Thermoschocks) Aufrechterhaltung der Unterkritikalität (Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb)g ( g )

anhaltend großer Validierungs- und Forschungsbedarf stetige Vergrößerung der experimentellen Datenbasis für 3D-Analysen insbesondere bei Mehrphasen Strömungen insbesondere bei Mehrphasen-Strömungen

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

Erfüllung der Anforderungen an belastbare CFD-Analysen ist aufwändig und anspruchsvoll


CFD-Analysen in Aufsichts- und GenehmigungsverfahrenGenehmigungsverfahren

In der Praxis wird für die Nachweise im kerntechnischen Aufsichts-

Ist-Stand:

und Genehmigungsverfahren auf Experimente oder konservative Modellansätze zurückgegriffen!

CFD-Analysen dienen zur Unterstützung der Nachweise Gutachter nutzen CFD-Analysen als diversitäres Prüfinstrument


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 stärken das Vertrauen in CFD-Analysen

CFD-Analysen bieten viele Vorteile: realitätsnahe Modellierung hohe räumliche/zeitliche Auflösung tieferes Verständnis physikalischer Vorgängep y g g


Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

Hintergrund

Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

g

KMV im Druckwasserreaktor: nach RESA wird Borsäure benötigt, um den Kern unterkritisch zu halten

nach einem Reflux-Condenser-Betrieb kann Kondensat aus den Pumpenbögen in den RDB gelangen und die Borsäurekonzen-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 Primärkreislaufs warmes und kaltes Wasser statt Borsäure

Primärkreislauf –Versuchsanlage (PKL) Maßstab 1:145aßstab 5 Höhenverhältnisse im Originalmaßstab Untersuchungsziele: Größe der KondensatpfropfenGröße der Kondensatpfropfen Umlaufmassenströme Vermischungsphänomene beim Wiederauffüllen

Rossendorf Coolant Mixing Test Facility (ROCOM) Rossendorf Coolant Mixing Test Facility (ROCOM) Maßstab 1:5 Gittersensoren in den Kaltsträngen, im Ringraum und am Kerneintritt Ergebnisse auf die Originalanlagen übertragbar nutzt die PKL-Versuchsergebnisse für die Randbedingungen


Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

Versuch PKL III E2.3

Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb

Szenario: kleines, heißseitiges Leck bei vorzugsweise heißseitiger Sicherheitseinspeisung (Vorkonvoi, Konvoi)

sogenanntes „LOBI“-Szenario: Notkühleinspeisung in zwei Schleifen Umlenkung der Sicherheitseinspeisung in Richtung der Dampferzeuger

Naturumlauf reißt nur in den unbespeisten Schleifen ab

inkl. Druckspeichereinspeisunginkl. Druckspeichereinspeisung ohne ND-Einspeisesysteme



ROCOM-Modell: Modellierung des RDB mit vier

Strängend 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



Hybrides Rechengitter: kalte Stränge, Ringraum und unteres

Plenum: strukturiert, mit Hexaeder-Ele-menten

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

3,5 Millionen Zellen



0,8

K i i

0 6

0,7Kerneintritt

Experiment (max. Werte)

0,5

0,6

ehal

t

Experiment (Durchschnittswerte)

CFX (max. Werte)

CFX (Durchschnittswerte)

0,3

0,4

rel.

Salz

ge

( )

0,2

r

0

0,1

50 100 150 200 250 30050 100 150 200 250 300Zeit [s]


Beispiel 2:Absicherung gegen sprödes Versagen

Hintergrund

Absicherung gegen sprödes Versagen

g

Der Reaktordruckbehälter muss gegen sprödes Versagen ausge-legt sein!

sprödes Versagen:

th i h Skleine Risse im Material

thermische Spannungen

hoher Druckschnelles Riss-wachstum

Ursachen:h ll T t ä d schnelle Temperaturänderungen

große, lokale Temperaturunterschiede Versprödung durch Neutronenfluenz Versprödung durch Neutronenfluenz


Beispiel 2:Absicherung gegen sprödes VersagenAbsicherung gegen sprödes Versagen

Beispiel: Kühlmittelverluststörfälle

Temperaturschock: 2F-Bruch einer Hauptkühlmittelleitung schnellstmögliche Abkühlung im RDB hohe Einspeisung von Notkühlmittel sehr gute Vermischung im RDB ATHLET

lokale Temperaturunterschiede: kleine und mittlere Lecks im Primärkreislauf Kaltwassersträhnen und –streifen im Ringraum des RDB niedrige Temperaturen unterhalb der Einspeisestutzen hohe Temperaturen außerhalb der Strähnen/Streifen 1D-Analysen reichen nicht CFD-Analysen

Außenkühlung Strömungsspalt zwischen Doppelrohren und Eintrittsstutzen


Strömungsspalt zwischen Doppelrohren und Eintrittsstutzen Kühlung des RDB von außen durch Wasserstreifen bei Riss in der Stutzennaht


Strähnenkühlung im Ringraum:

kleines Leck im Primärkreislauf

zwei Sicherheitseinspeise-pumpen speisen in benachbarte Strängebenachbarte Stränge

beständiger Naturumlauf niedrigste Temperaturen imniedrigste Temperaturen im

Bereich des Stutzenknies



Schichtströmung im Kaltstrang Vermischung von Notkühl- und

Umlaufwasser am Einspeise-stutzenstutzen

Sicherheitseinspeisung entweicht fast vollständig durch das Leck

HKMP

Einspeisestutzen

RDB

LeckRDBHKMP



Außenkühlung

kreisförmiger Spalt zwischen Doppel-

h d S Leckagewasserrohr und Stutzen Führung des Was-

sers durch Schräge RDB-St t

Leckagewasser

sers durch Schräge am Stutzen

Benetzung der RDB-

Stutzen

Wand rund um den Stutzen

StreifenbildungStreifenbildung unterhalb des Stutzens


ZusammenfassungZusammenfassung

im kerntechnischen Regelwerk sind hohe Anforderungen u.a. an die Anwendung von Rechenprogrammen, die Validierung, die Behandlung von Fehlern,g die Quantifizierung von Unsicherheiten

festgelegtCFD Analysen spielen derzeit eine untergeordnete Rolle in CFD-Analysen spielen derzeit eine untergeordnete Rolle in kerntechnischen Aufsichts- und Genehmigungsverfahren

große Fortschritte bei Wissen, Daten, Rechnerkapazitäten und der g , , pBestimmung von Unsicherheiten

CFD-Analysen sind perspektivisch die Nachweismethode der Z k ftZukunft

aktuelle Anwendungsbeispiele für CFD-Analysen: Absicherung gegen sprödes Versagen


bs c e u g gege sp ödes e sage Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb