Abstract:
Sicherheitsanalysen sind essenziell für die Entwicklung der Kernenergie, dabei ist die thermohydraulische Analyse bei Betriebsbedingungen und Unfällen (inklusive design-basis accident (DBA) und beyond-design-basis accident (BDBA)) der wichtigste Aspekt. Loss-of-coolant Unfälle (LOCA), d.h. Unfälle bei denen es zum Verlust des Kühlmittels kommt, ist der am meisten auftretende und damit der wichtigste DBA für die nuklearthermische und hydraulische Sicherheitsanalyse. Nach rund einem halben Jahrhundert der Entwicklung hat sich dieses wichtige Forschungsgebiet der thermohydraulischen Sicherheitsanalyse in den letzten zehn Jahren von großen (Large-Break LOCA (LBLOCA)) und kleinen (Small-Break LOCA (LBLOCA)) Leckagen hin zu mittleren Leckagen (intermediate-break LOCA (IBLOCA)) gewandelt. ... mehrIBLOCA-Szenarios standen im Mittelpunkt experimenteller Studien in der Rig-of-Safety Assessment/Large Scale Test Anlage (ROSA/LSTF), Advanced Thermal-hydraulic Test Loop for Accident simulation (ATLAS) und zuletzt in der PKL (PrimärKreisLauf) Anlage. Anhand des IBLOCA-Testszenarios der LSTF-Anlage wurde festgestellt, dass die Kernerwärmung und maximale Hüllrohrtemperatur (peak cladding temperatures (PCTs)) sehr empfindlich auf die Bruchgröße und den Einsatz von Sicherheitsinjektionen reagieren. Leider konnten die meisten thermohydraulischen Systemcodes (System Thermal-Hydraulic (STH) Codes) diese Prozesse in verschiedenen IBLOCA-Szenarien nicht reproduzieren. Um dieses Problem zu verifizieren und zu lösen, wurde auf den PKL I2.2 IBLOCA-Benchmark als entsprechender Test zurückgegriffen, der dem IBLOCA-Szenario in LSTF ähnelt. Einige typische STH-Codes sollten anhand der Testdaten des PKL I2.2 IBLOCA-Benchmarks bewertet werden.
In dieser Arbeit wurde ATHLET (kurz für Analyses of THermal-hydraulics for LEaks and Transients) für die Simulation des PKL I2.2 IBLOCA-Benchmarks verwendet und es wurde sich auf die Modellbewertung / -modifikation von ATHLET konzentriert. Die Hauptschritte für die Vorbereitung des ATHLET-Eingabedecks, die Simulationsergebnisse - einschließlich stationärer und transiente Zustände - wurden in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Um überzeugende Ergebnisse zu bekommen, wurde eine aktuelle Methodik verwendet: Zunächst wird eine Methode beschrieben und angewendet, die die Diskretisierung bewerten kann, danach wird das Benchmark-Szenario simuliert und schließlich wird eine bekannte Methode, basierend auf der schnellen Fourier Transformation (Fast Fourier Transform Based Method (FFTBM)), zur Bewertung der Wirksamkeit von ATHLET in der PKL I2.2 IBLOCA-Simulation eingeführt. Basierend auf der Analyse der transienten und der FFTBM-Ergebnisse könnte man zunächst zu dem Schluss kommen, dass die meisten Werte im PKL I2.2 IBLOCA-Benchmark von ATHLET sehr gut prognostiziert werden können, womit die Leistungsfähigkeit von ATHLET bei der IBLOCA-Simulation bestätigt wäre. Die maximale Hüllrohrtemperaturwird kann jedoch in der Simulation nicht reproduziert. werden. Laut der Durchschnittsamplitude (AA) der FFTBM-Methode und den Ergebnissen der Sensitivitätsstudie, die auf einer neu entwickelten Methodik (zweischichtige FFTBM - MSM-Kopplungssensitivitätsstudienmethode, MSM bedeutet hier Morris Screening Method) basieren, ist dieser Fehler höchstwahrscheinlich auf die Modellierung des Massenstroms aus der Leckage zurückzuführen.
Infolgedessen wurde ein neues Zweiphasenmodell (Non-Equilibrium und Non-Homogeneous Two Phase Critical Flow Model (NNTPCM)) zur Analyse der zweiphasigen kritischen Leckageströmung als potenzielles Critical Flow Model (CFM) in ATHLET entwickelt. Das Modell ermöglicht ein thermodynamisches Nichtgleichgewicht und ein hydrodynamische Inhomogenität zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase. Die Lösung der sechs Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls und Energie für die getrennten Phasen ermöglicht dieses Modell (das vorhandene ATHLET CFM - Critical Discharge Rate 1 Dimension Model (CDR1D) - ist ein 4-Gleichungsmodell). Das Modell kann die Strömungsformen von unterkühlten bis zu Ring- Strömungen simulieren. Die Schließbedingungen wurden durch eine Reihe von konstitutiven Beziehungen erreicht, die mit Hilfe einer intensiven Literaturrecherche ausgewählt wurden. Zwei Arten von der Durchflussbegrenzung (Determinante und Druckgradient) werden diskutiert. Für das Determinantenkriterium sollte eine Kompatibilitätsbedingung für das System von Gewöhnlichen Differentialgleichungen (ODEs) berücksichtigt werden, die die Zweiphasenströmung beschreiben, um eine Lösung am Drosselpunkt zu erhalten. Um die beiden Kriterien zu testen, wurden sie numerisch für Langrohr-, Kurzrohr- und Düsenentladungen untersucht. Die Ergebnisse, die durch die Verwendung der zwei verschiedenen Kriterien erhalten werden, sind konsistent, solange der Druckgradientenschwellenwert groß genug bleibt. Gleichzeitig ist dieser Wert laut den Ergebnissen für Düsen und kurze Rohre größer, im Vergleich zu langen Rohren. Das Modell wurde durch die experimentellen Daten des Al-Sahan-Tests (Langrohrentladung), Celata-Tests (Düsenentladung), Dobran-Tests (Langrohrentladung), Sozzi-Wutherland-Tests (Kurzrohrentladung) und des Henry-Tests (9 unterkühlte und 10 gesättigte Upstream-Bedingungen) validiert. Im Vergleich zu den gemessenen kritischen Massenflüssen (aber auch mit den Druckprofilen in Al-Sahan- und Henry-Tests) zeigen die Ergebnisse eine hervorragende Übereinstimmung. Verglichen mit anderen Modellen aus der Literatur weisen die hier vorgestellten Ergebnisse die größte Übereinstimmung mit den Versuchsdaten auf. Besonderes Augenmerk wurde auf das Verständnis des Drosselprozesses gelegt, indem die Entwicklung der wichtigsten konstitutiven Parametern analysiert wurden, ein Aspekt, der in früheren Studien selten berücksichtigt wurde. Nach der Analyse der konstitutiven Parameter können einige Schlussfolgerungen gezogen werden: Der Grenzflächenbereich wird am Umschlagspunkt von Blasen- zur Kolbenströmung/Schaumströmung maximal, die virtuelle Massenkraft wird wichtig und manchmal entscheidend für den gedrosselten Fluss, bei langen Rohren spielt das thermodynamische Ungleichgewicht aufgrund der guten Wärmeübertragung zwischen den beiden Phasen eine vernachlässigbare Rolle, jedoch muss die hydrodynamische Inhomogenität berücksichtigt werden, da die Geschwindigkeitsdifferenz am Drosselpunkt sehr groß wird. Umgekehrt dazu kann die hydrodynamische Inhomogenität bei kurzen Rohren vernachlässigt werden und das thermodynamische Ungleichgewicht muss für kurze Rohre oder Düsen, aufgrund der überhitzten Flüssigkeit und der geringen Geschwindigkeitsdifferenz, berücksichtigt werden.
Als möglichen Ersatz für das CDR1D-Modell in ATHLET wurde die Methodik als Plugin für ATHLET ausführlich beschrieben. Um die Wirksamkeit des Modells zu validieren und seine Fähigkeit zu überprüfen das CDR1D-Modells zu ersetzen, wurden mehrere Marviken-Tests für den kritischen Durchfluss in vollem Umfang und der PKL I2.2 IBLOCA-Benchmark für die Modellvalidierung ausgewählt. Das Modell wurde sowohl mit den Testdaten als auch mit den Ergebnissen des in ATHLET integrierten CDR1D-Modells verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass das NNTPCM bessere oder zumindest vergleichbare Ergebnisse als das CDR1D-Modell für die Simulation thermohydraulischer Szenarien in PWRs erzielen kann.
Abstract (englisch):
Nuclear safety analysis is always the fundamental item for nuclear power development. Within the safety analysis, the most important aspect is the thermal hydraulic analysis of operation conditions and accidents (including design-basis accident (DBA) and beyond-design-basis accident (BDBA)). The loss-of-coolant accident (LOCA) is the most concerned DBA for nuclear thermal hydraulic safety analysis. After the development of around half a century, the concerned issue in thermal hydraulic safety analysis has switched in the recent decade from large-break LOCA (LBLOCA) and small-break LOCA (SBLOCA) to intermediate-break LOCA (IBLOCA) scenario. ... mehrIBLOCA scenario has been the focus of experimental studies in Rig-of-Safety assessment/large scale test facility (ROSA/LSTF), advanced thermal-hydraulic test loop for accident simulation (ATLAS), and most recently the PKL (German abbreviation for “Primärkreislauf”, “primary loop” in English) facility. Based on the IBLOCA test scenario of the LSTF facility, it was found that the phenomena of core heat up and peak cladding temperatures (PCTs) are very sensitive to the break size and the operation of safety injections. Unfortunately, most of the system thermal-hydraulic (STH) codes could not reproduce these processes in different IBLOCA scenarios. In order to confirm and to solve this problem, the PKL I2.2 IBLOCA benchmark was resorted to, as a counterpart test similar to the IBLOCA scenario in LSTF. Some typical STH codes should be evaluated by the test data of PKL I2.2 IBLOCA benchmark.
ATHLET (short for Analyses of THermal-hydraulics for LEaks and Transients) was used for the simulation of PKL I2.2 IBLOCA benchmark and the model assessment/modification of ATHLET was focused on. The main steps for ATHLET input deck preparation, the simulation results - including steady state and transient - were described in details in this work. In order to make the results convincing, the related state-of-art methodology was used: a nodalization qualification method was described and applied before the benchmark scenario simulation; a well-known method – Fast Fourier Transform Based Method (FFTBM) was introduced for the evaluation of the effectiveness of ATHLET on PKL I2.2 IBLOCA simulation. Based on the analysis of the transient results and the FFTBM results, one may come to the conclusion that most of the variables in PKL I2.2 IBLOCA benchmark were predicted very well by ATHLET, which confirmed its effectiveness on IBLOCA simulation. But unfortunately the PCT was not reproduced in the simulation. According to the average amplitude (AA) values from the FFTBM method and the results of the sensitivity study which - based on new developed methodology (two-layer FFTBM – MSM coupling sensitivity study method, MSM here means Morris screening method), this failure is most likely related to the break mass flow modelling.
Consequently, a new two-phase model (non-equilibrium and non-homogeneous two phase critical flow model (NNTPCM)) for the analysis of two-phase critical discharge was developed as a potential critical flow model (CFM) in ATHLET. The model allows thermodynamic non-equilibrium and hydrodynamic non-homogeneity between the liquid and vapor phases. It comes out as the solution of the six conservation equations of mass, momentum and energy for separated phases (the present ATHLET CFM - Critical Discharge Rate 1 Dimension model (CDR1D) - is a 4-equation model). The model is able to simulate several flow regimes, from subcooled to annular flows. Closure was achieved by a set of constitutive relations chosen from an extensive literature review. Two kinds of choking criteria (determinant and pressure gradient) are discussed. For the determinant criterion, a compatibility condition should be considered for the system of ordinary differential equations (ODEs) describing the two-phase flow to have a solution at choking point. In order to confirm the two criteria, they were numerically investigated for long pipe, short pipe and orifice discharge tests. The results obtained by using the two different criteria are consistent as long as the pressure gradient threshold value remains large enough. Simultaneously, according to the results, this value is larger for the case of orifice and short pipe discharges (compared with a long pipe discharge). The model was validated by the experimental data from Al-Sahan tests (long pipe discharge), Celata test (nozzle discharge), Dobran test (long pipe discharge), Sozzi–Wutherland tests (short pipe discharge) and Henry tests (which comprises 9 subcooled and 10 saturated upstream conditions). The comparison of results showed excellent agreement with measured critical mass fluxes (but also with pressure profiles in Al-Sahan and Henry tests). The calculation results were the best ones, compared with other models from literature. A special attention was paid to the understanding of the choking process by analyzing the evolution of the main constitutive parameters, aspect seldom considered in previous studies. According to this analysis of the constitutive parameters, some interesting conclusions are extracted: the interfacial area becomes maximum at the transition point from bubble to slug/churn flow; the virtual mass force becomes important and sometimes decisive for choked flow; for long pipe, the thermodynamic non-equilibrium plays negligible role because of the good heat transfer between the two phases but the hydrodynamic non-homogeneity has to be taken into account since the velocity difference becomes very large at the choked point; on the contrary, the hydrodynamic non-homogeneity may be neglected but the thermodynamic non-equilibrium considered for short pipe or orifice because of the superheated liquid and small velocity difference.
As a potential substitute for CDR1D model in ATHLET, the methodology for the plugin in ATHLET has been described in details. To validate the effectiveness of the model and to verify its ability in replacing the CDR1D model, several Marviken full scale critical flow tests and PKL I2.2 IBLOCA benchmark were chosen for the model validation; the model was compared with both test data and also with the results obtained by the ATHLET built-in CDR1D model. The results showed that NNTPCM could get better or at least comparable results than CDR1D model for the simulation of thermal-hydraulic scenarios in PWRs.
