Messung und Modellierung der Siedekrise bei oszillierender Massenstromdichte

Die technische Sicherheit von Kernreaktoren ist von entscheidender Bedeutung, sowohl während dem normalen
Betrieb als auch bei Störfällen. Nach dem Einsetzen eines schweren Kühlmittelverluststörfalls und der
Durchführung der Reaktorschnellabschaltung, muss die Nachzerfallswärme abgeführt werden, um eine
Zerstörung der Kraftwerksstrukturen und ein Austreten der Kernschmelze in die Umgebung zu verhindern.
Während bei aktiven Sicherheitssystemen zur Nachzerfallswärmeabfuhr die Wahrscheinlichkeit besteht, dass die
Energieversorgung ausfällt und das System seine Funktion nicht erfüllt, arbeiten passive Sicherheitssysteme
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autonom und erfüllen ihre Funktion unabhängig von der Energieversorgung. Der Antrieb von solchen passiven
Sicherheitssystemen ist die Nachzerfallswärme selbst, da diese meist auf Naturkonvektion oder Wärmestrahlung
basiert.
Ein Beispiel für ein passives Sicherheitssystem stellt das sogenannte „In Vessel Retention through External
Reactor Vessel Cooling“ (IVR ERVC) dar. Im Gegensatz zum Kernfänger (Core-Catcher) wird beim IVR ERVC die
Reaktorgrube mit Wasser aus einem höher liegenden Becken geflutet. Das Wasser tritt in einen Strömungspfad
zwischen Reaktordruckbehälter (RDB) und Isolation ein, strömt am RDB entlang und verdampft. Durch den
statischen Auftrieb steigt der Dampf auf, bis er im Containment kondensiert und sich wieder im Becken als
Kondensat sammelt. Da die Nachzerfallswärme hierbei durch Verdampfung abgeführt wird, stellt das Eintreten
der Siedekrise das Ausfallkriterium für dieses passive Sicherheitssystem dar.
Seitdem das IVR ERVC für den Einsatz in Leichtwasserreaktoren vorgeschlagen wurde, sind zahlreiche Studien
durchgeführt worden, welche sowohl das Strömungsverhalten als auch die Siedekrise im IVR ERVCStr
ömungspfad untersucht haben. Es stellte sich heraus, dass aufgrund von Zweiphaseninstabilitäten
Massenstromoszillationen auftreten können. Wobei sich die Parameter der Massenstromoszillationen je nach
geometrischer Konfiguration des Systems unterscheiden können. Somit ist die Kenntnis über den Einfluss von
Massenstromoszillationen in Abhängigkeit der Parameter Oszillationsperiode und Amplitude auf die Siedekrise
bei der Auslegung des IVR ERVC von hoher Bedeutung.
Da das Wissen über den Einfluss von Massenstromoszillationen auf die Siedekrise (1.er Art), wie sie im IVR ERVC
auftritt, sehr begrenzt ist, liefert diese Arbeit durch die experimentelle Untersuchung des Einflusses der
Oszillationsparameter auf die Siedekrise einen wichtigen Beitrag. Hierbei wurde die Messmatrix für die
Experimente basierend auf früheren Studien zum Strömungsverhalten im IVR ERVC bestimmt. Um den Einfluss
von Oszillationen zu untersuchen, wurden Versuche sowohl bei stationärer als auch bei oszillierender
Massenstromdichte durchgeführt.
Basierend auf der Analyse und dem Vergleich der Messdaten aus dieser Studie mit früheren, wurde eine
Korrelation aus der Literatur weiterentwickelt, welche in der Lage ist, die kritische Wärmestromdichte im IVR
ERVC- Strömungspfad in Abhängigkeit der Massenstromdichte, Eintrittsunterkühlung und geometrischer
Parameter des Strömungspfades am obersten zylindrischen Teil des RDB zu berechnen. Zudem wurde eine
physikalische begründete Korrelation aufgestellt, welche die kritische Wärmestromdichte in Abhängigkeit des
Kanalneigungswinkels berechnen kann.
Aus der Betrachtung der experimentellen Daten der Versuche bei oszillierender Massenstromdichte hat sich
ergeben, dass Massenstromdichteoszillationen in Abhängigkeit von den restlichen Randbedingungen sowohl zu
einer Herabsenkung als auch zu einem Anstieg der kritischen Wärmestromdichte führen können. Es wurde ein
Ansatz zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte bei oszillierender Massenstromdichte ausgearbeitet,
welcher auf einem Modell zur instationären Wärmeleitung bei oszillierender Temperaturrandbedingung basiert.
Der Ansatz kann jedoch nur eine mögliche Herabsenkung der Siedekrise durch die Oszillationen berücksichtigen,
womit dieser als konservativ betrachtet werden kann.

The technical safety of nuclear power plants is of high importance as well as during normal operation and in the
event of accidents. In the event of a severe loss-of-coolant accident (LOCA) and after the initiation of the reactor
emergency shutdown, the decay heat must be dissipated in order to prevent the destruction of the power plant
structures and the outflow of the core melt into the environment. While active safety systems for decay heat
dissipation depend on the energy supply, passive safety systems work autonomously and fulfil their function
independently of the energy supply. ... mehrThey are driven by the decay heat itself, as their function is usually based
on natural convention or thermal radiation.
An example of such a passive safety system is the so-called “In Vessel Retention through External Reactor Vessel
Cooling” (IVR ERVC). In contrast to the core catcher, in the IVR ERVC the reactor cavity is flooded with water from
a tank, which is located at a higher level. The water enters the flow path between the reactor pressure vessel
(RPV) and the insulation, flows along the RPV and evaporates. The buoyancy force causes the steam to rise until
it condenses in the containment and is collected in the tank as condensate. Since the decay heat is dissipated
through evaporation, the occurrence of the boiling crisis represents the failure criteria for this passive safety
system.
Since the IVR ERVC was proposed for use in light water reactors, numerous studies have been conducted
examining both the flow behaviour and the boiling crisis in the IVR ERVC flow path. It turned out that mass flow
oscillations can occur due to two-phase instabilities. The parameters of the mass flow oscillations can differ
depending on the geometric configuration of the system. Therefore, knowledge about the influence of mass flow
oscillations in dependence of the parameters oscillation period and amplitude on the boiling crisis is of great
importance when designing the IVR ERVC.
As the knowledge about the influence of mass flow oscillations on the boiling crisis (departure from nucleate
boiling), as it occurs in the IVR ERVC, is very limited, this work makes an important contribution by experimentally
investigating the influence of the oscillation parameters on the boiling crisis. The measurement matrix for the
experiments was determined based on previous studies on flow behaviour in the IVR ERVC. In order to investigate
the influence of oscillations, experiments were carried out at both, stationary and oscillating mass fluxes.
Based on the analysis and comparison of the measurement data from this study with previous ones, a correlation
from the literature was further developed, which is able to calculate the critical heat flux in the IVR ERVC flow
path depending on the mass flux, inlet subcooling and geometric parameters of the flow path at the upper
cylindrical part of the RPV. In addition, a physically based correlation was established which can calculate the
critical heat flux depending on the channel inclination angle.
The analysis of the experimental data from the tests with oscillating mass flow density showed, that mass flow
oscillations can lead to both a decrease and an increase in the critical heat flux, depending on the remaining
boundary conditions. An approach for calculating the critical heat flux with oscillating mass flux was developed,
which is based on a model for unsteady heat conduction with oscillating temperature boundary conditions.
However, the approach can only take into account a possible reduction of the critical heat flux due to the
oscillations, which means it can be considered conservative.