A multiscale method for mixed convective systems - Coupled calculations with ATHLET and OpenFOAM of the PHENIX NCT

Das Generation IV International Forum schlug sechs Konzepte für Innovative Reaktoren vor, die am vielversprechendsten sind. Eines dieser Konzepte ist der Natrium gekühlte schnelle Reaktor (SFR) mit einer langen Forschungs- und Entwicklungsgeschichte. Dieser Reaktortyp weist ein hohes Potential auf, um die GEN-IV Kriterien zu erfüllen. Dazu gehört der im Jahr 1968 in Frankreich erbaute und 1973 an das Elektrizitätsnetz angeschlossene PHENIX Reaktor. Dieser Prototypreaktor wurde bis 2004 betrieben und anschließend zu Forschungszwecken, wie der Transmutation und der Evaluation von Unfallszenarien weiter verwendet.
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Die endgültige Abschaltung des PHENIX Reaktors fand 2009 statt. Zuvor wurden einige finale Tests geplant und durchgeführt, einschließlich eines Tests zur Naturkonvektion (NCT) des Primärkreislaufs. Der Naturkonvektions-Test wird als Benchmark-Test in der vorliegenden Arbeit verwendet und dient Qualifikation und Validierung von System-Rechenprogrammen. Im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes wurde der Benchmark-Test als sogenannter Blind-Test durchgeführt. Diese Rechenprogramme verwenden den Ansatz der konzentrierten Parameter und werden zur Berechnung des transienten Verhaltens von thermo-hydraulischen Systemen (STH) angewendet. Mit diesem Ansatz ist es möglich, komplexe Systeme ganzheitlich zu betrachten und zu berechnen. In Deutschland wird das ATHLET Rechenprogramm von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH entwickelt. Da alle Kernkraftwerke in Deutschland, die zur kommerziellen Stromerzeugung verwendet werden mit Wasser gekühlt sind, wurde ATHLET bislang nur für diese Zwecke entwickelt. Ein Teilprojekt des europäischen THINS Projektes (Thermal-Hydraulics of Innovative Nuclear Systems) ist die Qualifikation von System-Rechenprogrammen, die bisher nur für wassergekühlte Kernkraftwerke entwickelt wurden, für System- und Sicherheitsrechnungen im Rahmen der GEN-IV. Die vorgelegte Arbeit zeigt die Erweiterung des ATHLET Rechenprogramms für Natriumanwendungen mittels eines Multi-Fluid Ansatzes.
Numerische Strömungssimulation (CFD) wird in vielen Gebieten der Strömungsmechanik angewandt. Sie gibt qualitativ hochwertige und hoch aufgelöste Ergebnisse in gewünschten Bereichen. Der Rechenaufwand - und damit die Kosten - sind allerdings durch eine damit verbundene, lange Rechenzeit hoch. Die Entwicklung einer optimierten Methode ist ebenfalls Teil des THINS Projekts, bei der die Effektivität einer Berechnung auf Systemebene mit der hohen Auflösung von CFD kombiniert (gekoppelt) werden.
Nach einem einleitenden Kapitel werden im Rahmen dieser Arbeit Modifikationen des ATHLET Rechenprogramms für Natriumanwendungen erläutert. Anschließend wird an einem System-Modell für den PHENIX Primärkreislauf im Rahmen des NCT eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Soweit möglich, werden Assessments der Implementierungen mit Hilfe des NCT diskutiert. Danach wird das heiße Becken des PHENIX-Primärkreislaufs in CFD modelliert und mit dem quelloffenen Rechenprogramm OpenFOAM berechnet. Das heiße Becken wurde aus einem der drei großen Volumina ausgewählt. Es wird angenommen, dass hier starke dreidimensionale Effekte vorherrschen, welche durch einen System-Ansatz nicht abgebildet werden können. Die Reynolds gemittelte Navier-Stokes Methode mit einem k-epsilon Turbulenzmodell wird hierbei angewandt. Um die zwei unterschiedlichen Methoden zu kombinieren, wird eine Kopplungsstrategie entwickelt und verifiziert. Die Programmeinbindung wird aufgezeigt und am Beispiel des PHENIX NCT diskutiert. Im Laufe des transienten Szenarios zeigt die gekoppelte Lösungsmethode abweichende Ergebnisse im Vergleich zur alleinigen System-Rechenprogramm Lösung. Dies wird durch starke, dreidimensionale Effekte im heißen Becken des PHENIX Primärkreislaufs hervorgerufen und kann durch das thermo-hydraulische System-Rechenprogramm nicht erfasst werden. Ein weiteres, theoretisches Szenario wird ebenfalls aufgezeigt, um das Potential der verifizierten und diskutierten Kopplungs-Strategie zu veranschaulichen.
Hier kann eine Ähnlichkeit zwischen CFD und STH beobachtet werden. Diese tritt auf, wenn die Strömungsrichtung und deren Orientierung in beiden Rechenprogrammen identisch ist. Ebenso müssen die Geschwindigkeitsgrößen sehr klein sein.

The Generation IV International Forum proposed six innovative reactor concepts as most promising. One of those concepts is the sodium cooled fast reactor (SFR). Its research and development has long history and shows high potential to meet GEN-IV criteria. One of those is the PHENIX reactor build in France. Construction began in 1968 and connected to the grid in 1973. The small-scale prototype reactor was in full operation until 2004 and then mainly used for research on transmutation and accident scenarios.
The final shutdown of the PHENIX reactor was in 2009. Before it was finally shut down, several final tests were planned and performed, including the natural convection test (NCT), which is used in this work for calculations of the primary circuit behavior. ... mehrThe NCT is used as a benchmark excercise for his work, more specifically as a blind test for system code qualification and its validation. These codes use a lumped parameter approach and are used to calculate transient behavior of system thermal-hydraulics (STH) of complete and complex systems like nuclear power plants are. In Germany, the Analysis of thermal-hydraulics of leaks and transients (ATHLET) code is being developed by the Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH. As all operating German power plants are cooled by water, ATHLET is used only with material properties of water. One part of the THINS (Thermal-Hydraulics of Innovative Nuclear Systems) project was to qualify light water reactor (LWR) STH codes for GEN-IV purposes. This work shows the extension of the ATHLET code to sodium through a multi-fluid approach. Computational fluid dynamics (CFD) is used in many domains of fluid dynamics' calculations. It provides high quality and high resolution results of the desired domain. Hence the computational effort - and therefore costs - is high and time consuming, a more optimized method is in focus of another part of the THINS project. Combining the effectiveness of a STH code with the high quality of CFD (where needed) is leading to coupled approaches.
After an introduction, this work presents the modification of the ATHLET STH code for sodium applications. After that, the feasibility of the implementation is shown with a generated STH model of the PHENIX primary circuit. As far as possible by the NCT the implementations are assessed and discussed. Afterwards, the hot pool of the PHENIX primary circuit is modeled in CFD and calculated with the open source CFD toolbox OpenFOAM. The hot pool has been chosen, as it is one of three large volumes that is considered to have high threedimensional effects that cannot be represented with STH only. The Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) method is applied with a k-epsilon turbulence model. To merge the two different scales of system thermal-hydraulics and computational fluid dynamics, a coupling methodology is being developed and verified. Its implementation is shown and discussed with the PHENIX NCT. During the transient scenario, the coupled solution shows different behavior in comparison to the STH standalone calculation. This is due to strong three-dimensional effects taking place in the hot pool of the PHENIX primary circuit that cannot be captured with STH standalone. Differences between STH standalone and STH/CFD coupled calculations are discussed in that chapter. Another theoretical scenario is presented, which applies the verified and assessed coupling model and scheme to show the extrapolation capability of the coupling methodology. It can also be observed, when CFD shows uniform flow field behavior at small magnitude in vertical direction in the hot pool, that results between STH/CFD coupled calculation and STH standalone calculation are very similar.