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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
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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?
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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
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international: IAEA Safety Reports, NRC Guidelines
Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen
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
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Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen
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
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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 Zuverlässigkeit der Rechenprogramme modularer Aufbau, standardisierte Programmiersprachestandardisierte Programmiersprache zentrale Programmwartung großer Benutzerkreis, häufiger Programmeinsatz
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Anforderungen an rechnerische AnalysenAnforderungen an rechnerische Analysen
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
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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
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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
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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 stärken das Vertrauen in CFD-Analysen
CFD-Analysen bieten viele Vorteile: realitätsnahe Modellierung hohe räumliche/zeitliche Auflösung tieferes Verständnis physikalischer Vorgängep 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 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
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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
19.05.2011 14CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren
Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-BetriebDeborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb
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
19.05.2011 15CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren
Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-BetriebDeborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb
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
19.05.2011 16CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren
Beispiel 1:Deborierung nach Reflux-Condenser-BetriebDeborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb
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]
19.05.2011 17CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren
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
19.05.2011 18CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren
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
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Strömungsspalt zwischen Doppelrohren und Eintrittsstutzen Kühlung des RDB von außen durch Wasserstreifen bei Riss in der Stutzennaht
Beispiel 2:Absicherung gegen sprödes VersagenAbsicherung gegen sprödes Versagen
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
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Beispiel 2:Absicherung gegen sprödes VersagenAbsicherung gegen sprödes Versagen
Schichtströmung im Kaltstrang Vermischung von Notkühl- und
Umlaufwasser am Einspeise-stutzenstutzen
Sicherheitseinspeisung entweicht fast vollständig durch das Leck
HKMP
Einspeisestutzen
RDB
LeckRDBHKMP
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Beispiel 2:Absicherung gegen sprödes VersagenAbsicherung gegen sprödes Versagen
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
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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
19.05.2011CFD-Analysen in Aufsichts- und Genehmigungsverfahren 23
bs c e u g gege sp ödes e sage Deborierung nach Reflux-Condenser-Betrieb
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