Multi-Scale Thermal-hydraulic Developments for the Detailed Analysis of the Flow Conditions within the Reactor Pressure Vessel of Pressurized Water Reactors

Die mehrskalige thermohydraulische Analyse und die Entwicklung von mehrskaligen thermohydraulisch gekoppelten Programmen haben sich in den letzten Jahren zu einem vielversprechenden Gebiet im Bereich der Reaktortechnik entwickelt. Sie zielen darauf ab, die Fähigkeiten der thermohydraulischen Simulationswerkzeuge zu verbessern und die thermohydraulischen Phänomene in den Kernkraftsystemen umfassender zu beschreiben.
Die mehrskalige thermohydraulische Simulation eines Druckwasserreaktors (PWR) bildet den Schwerpunkt dieser Arbeit. Eine generische Klassifizierung der verschiedenen Multi-Skalen-Kopplungsansätze wird vorgeschlagen und die gekoppelten Programme und Methoden werden verglichen. ... mehrDie Dissertation entwickelt zwei mehrskalige thermohydraulische Kopplungssysteme: 1) die Verbindung des Systemcodes TRACE der US Nuclear Regulatory Commission (NRC) mit dem Unterkanalprogramm SubChanFlow (SCF) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Verwendung einer externen Kommunikationsschnittstelle (ECI); 2) die Verbindung des US-amerikanischen NRC-Systemcodes TRACE mit dem französischen Open-Source-CFD-Code TrioCFD unter Verwendung der ICoCo-Methode (Interface for Code Coupling).
Die Kopplung TRACE / SCF-ECI wurde als serverloses, paralleles und explizites Kopplungssystem entwickelt, das die Methode der Domänenzerlegung anwendet. Ein neu entwickeltes Toolkit löst dabei die Feldzuordnungsprobleme. Dieses System wurde anhand eines akademischen Kühlmittelmischproblems für einen VVER-1000 als Referenz verifiziert und validiert. Es zeigt sich, dass der gekoppelte Code die Vermischung des Kühlmittels im Reaktordruckbehälter genauer vorhersagen kann. Darüber hinaus wurden die gekoppelten Codes optimiert, um effizienter zu arbeiten.
Die Kopplung von TRACE / TrioCFD mithilfe von ICoCo wurde als explizites Server-Client-Kopplungssystem entwickelt, das die domänenübergreifende Methode anwendet und die SALOME MED-Kopplungs-Bibliothek verwendet, um die Feldzuordnung und den Datentransfer zwischen verschiedenen Volumenzellen zu verwalten. Eine neuartige DIAS-Methode (Dynamic-Implicit-Additional-Source) wurde implementiert. Dabei werden die von der MED-Bibliothek aus TrioCFD übersetzten Felder für die Kühlmittelgeschwindigkeit, den Druck, die Kühlmitteltemperatur und die Borkonzentration verwendet, um die vier entsprechenden Felder in TRACE abzubilden. Die Übertragung findet in der gesamten überlappenden Domäne statt. Das Ergebnis wird mit dem VVER-1000-Referenzwert für die Kühlmittelvermischung verglichen, und die verbesserte Fähigkeit der Codes, das Mischen von Kühlmittel im Reaktordruckbehälter vorherzusagen, wird aufgezeigt.

The multi-scale thermal-hydraulic analysis and the development of multi-scale thermal-hydraulic coupled codes have been becoming a promising area in the nuclear communities in recent years. They aim to enhance the capabilities of the thermal-hydraulic simulation tools and to better describe the thermal-hydraulic phenomena in the nuclear power systems.
The multi-scale thermal-hydraulic simulation of the Pressurized Water Reactor (PWR) is the emphasis of this thesis. A generic classification of the diverse multi-scale coupling approaches is put forward and the coupled codes and methods are compared. ... mehrThe thesis develops two multi-scale thermal-hydraulic coupling systems: 1) the coupled codes of the U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) system code TRACE with the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in-house sub-channel code SubChanFlow (SCF) using the Exterior Communication Interface (ECI); 2) the coupled codes of the U.S. NRC system code TRACE with the French open-source CFD code TrioCFD using the Interface for Code Coupling (ICoCo) methodology.
The TRACE/SCF-ECI is developed as a server-less, parallel, and explicit coupling system, which adopts the domain-decomposition method and uses a newly-developed toolkit to handle the field mapping issues. This coupling pair is verified and validated against an academic coolant mixing problem and a VVER-1000 coolant mixing benchmark. It shows that the coupled code is able to predict the coolant mixing in the reactor pressure vessel in a more precise manner. Moreover, the coupled codes have been optimized in order to be more efficient.
The coupling of TRACE/TrioCFD using ICoCo is developed as a server-client, parallel explicit coupling system, which adopts the domain-overlapping method and uses the SALOME MEDCoupling library to handle the field mapping and data transfer between different meshes. A novel Dynamic-Implicit-Additional-Source (DIAS) method is implemented. It uses the coolant velocity, pressure, coolant temperature, and boron concentration fields translated by MEDCoupling from TrioCFD to correlate the four corresponding fields of TRACE. The correlation takes place in the entire overlapped domain. The coupled code is verified against the VVER-1000 coolant mixing benchmark and the improved codes’ capability in predicting the coolant mixing in the reactor pressure vessel compared to previously used codes is demonstrated.