Im Rahmen des Projekts wurde der Einfluss von Accident-Tolerant-Fuel-(ATF)-Hüllrohrkonzepten auf das Strömungssieden und insbesondere auf die kritische Wärmestromdichte (CHF) unter kontrollierten Niederdruckbedingungen untersucht. Hierzu wurde an der COSMOS-L-Anlage eine vertikale Fünfstabbündel-Teststrecke entwickelt, die einen direkten Vergleich verschiedener Hüllrohrmaterialien bei weitgehend identischen thermohydraulischen Randbedingungen ermöglicht. Eine wesentliche technische Entwicklung war die magnetische Kompensation der direkt elektrisch beheizten Hüllrohre durch eine koaxiale Stromführung. Dadurch konnten elektromagnetisch verursachte Verformungen des Bündels unterdrückt und wiederholte CHF-Messungen über vollständige Parameterstudien hinweg mit denselben Prüflingen durchgeführt werden. Die Kombination aus thermischer und optischer CHF-Erkennung sowie einer schnellen automatisierten Abschaltung begrenzte die lokale Überhitzung nach Eintritt der Siedekrise und ermöglichte einen reproduzierbaren Versuchsbetrieb ohne systematischen Austausch der Hüllrohrproben. Die statistische Reproduzierbarkeit wurde anhand von 50 wiederholten CHF-Messungen unter identischen Bedingungen mit einer 3σ-Streuung von etwa ±3,5% quantifiziert.
... mehr
Die CHF-Untersuchungen an Zr-4, CrN-beschichtetem Zr-4 und FeCrAl zeigen, dass Massenstromdichte, Druck und Eintrittsunterkühlung die Siedegrenze grundsätzlich dominieren. Dennoch konnten materialspezifische Unterschiede aufgelöst werden. Für CrN-beschichtetes Zr-4 wurde eine signifikante CHF-Verringerung von bis zu etwa 8,8% gegenüber der unbeschichteten Referenz festgestellt, die mittlere Abweichung vom Referenzfall lag mit FeCrAl bei etwa 3,2% und damit innerhalb der experimentellen Streuung. Zur Interpretation wurde ein mechanistisches CHF-Vorhersagemodell auf Basis eines Mikroschicht-Dryout-Ansatzes weiterentwickelt und um material- und oberflächensensitive Größen ergänzt. Mit mittleren absoluten Fehlern von 6,8%, 10,2% und 8,8% für Zr-4, CrN-Zr-4 und FeCrAl erreicht der Ansatz insgesamt eine mit der korrigierten Groeneveld-Look-Up-Table vergleichbare Vorhersagegüte. Sein wesentlicher Vorteil liegt jedoch im direkten ATF-Vergleich: Während die empirische LUT bei identischen thermohydraulischen Randbedingungen keine explizite Materialsensitivität besitzt, bildet das entwickelte Modell die beobachteten materialabhängigen CHF-Trends und Verschiebungen durch die Einbeziehung von Benetzbarkeit, thermodynamischem Zustand und thermischen Materialeigenschaften explizit ab.
Ergänzend wurde eine bildbasierte Auswertemethodik für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen entwickelt, mit der oberflächenabhängige Siedeparameter quantitativ bestimmt werden können. Aus zeitaufgelösten Bildsequenzen werden aktive Siedekeimstellen und charakteristische Blasenfrequenzen extrahiert, sodass insbesondere Siedekeimstellendichte (NSD) und Blasenablösefrequenz (BDF) räumlich und zeitlich ausgewertet werden können. Die Untersuchungen zeigten, dass Oberflächenmodifikationen die Aktivierung und Verteilung von Siedekeimen deutlicher beeinflussen als die BDF und dass lokale Oberflächenzustände durch globale Kennwerte wie mittlere Rauheit oder Kontaktwinkel allein nicht vollständig beschrieben werden.
Die wesentlichen experimentellen, methodischen und wissenschaftlichen Projektziele wurden erreicht und teilweise erweitert. Neben den ursprünglich vorgesehenen Hüllrohrkonzepten wurde zusätzlich CrN-beschichtetes FeCrAl in das Versuchsprogramm aufgenommen. Die entstandene reproduzierbare CHF-Datenbasis, die Hochgeschwindigkeits-Auswertemethodik und die entwickelte Stabbündel-Teststrecke stehen für weiterführende Untersuchungen und Modellvalidierungen zur Verfügung. Die Projektergebnisse wurden auf mehreren Fachkonferenzen sowie in einem peer-reviewten Journal veröffentlicht und bilden zugleich die Grundlage für weiterführende Arbeiten zu oberflächensensitiven Siedemodellen und zum Post-CHF-Verhalten von ATF-Hüllrohren.
The project investigated the influence of Accident Tolerant Fuel (ATF) cladding concepts on flow boiling and, in particular, on critical heat flux (CHF) under controlled low-pressure conditions. For this purpose, a vertical five-rod bundle test section was developed and implemented in the COSMOS-L facility, enabling direct comparison of different cladding materials under closely matched thermal-hydraulic boundary conditions. A key technical achievement was the magnetic compensation of the directly electrically heated rods by means of a coaxial current-return configuration. This suppressed electromagnetically induced bundle deformation and enabled repeated CHF measurements and complete parametric studies to be performed using the same specimens. Combined thermal and optical CHF detection together with a rapid automated shutdown limited the local temperature excursion after boiling crisis and allowed reproducible testing without systematic replacement of the cladding samples. Statistical reproducibility was quantified by 50 repeated CHF measurements under identical conditions, yielding a 3σ scatter of approximately ±3.5%.
The CHF experiments with Zr-4, CrN-coated Zr-4, and FeCrAl confirmed that mass flux, pressure, and inlet subcooling remain the dominant parameters governing the boiling limit. Nevertheless, material-specific effects could be resolved. CrN-coated Zr-4 exhibited a statistically significant CHF reduction of up to approximately 8.8% relative to the uncoated reference, whereas the approximately 3.2% mean deviation observed for FeCrAl remained within the experimental scatter. For interpretation and prediction, a mechanistic CHF model based on a microlayer-dryout concept was further developed by introducing material- and surface-sensitive parameters. Mean absolute errors of 6.8%, 10.2%, and 8.8% were obtained for Zr-4, CrN-coated Zr-4, and FeCrAl, respectively, placing its overall absolute predictive performance in the same range as the corrected Groeneveld CHF Look-Up Table. Its principal advantage becomes apparent in the direct assessment of ATF performance: whereas the empirical LUT contains no explicit material dependence and therefore cannot represent systematic CHF shifts between cladding concepts at identical thermal-hydraulic conditions, the developed model reproduces the observed material-dependent trends by explicitly accounting for wettability, thermodynamic state, and thermal material properties.
In parallel, an image-based evaluation method for high-speed boiling recordings was developed to quantify surface-sensitive boiling parameters. Time-resolved image sequences are processed to identify active nucleation sites and characteristic bubble frequencies, enabling spatially and temporally resolved evaluation of nucleation site density (NSD) and bubble departure frequency (BDF). The measurements showed that surface modifications affect the activation and spatial distribution of nucleation sites more distinctly than the BDF and demonstrated that local boiling behavior cannot be represented adequately by global surface descriptors such as mean roughness or contact angle alone.
The principal experimental, methodological, and scientific project objectives were achieved and, in several aspects, extended. In addition to the originally planned cladding concepts, CrN-coated FeCrAl was incorporated into the final experimental program. The resulting reproducible CHF database, the high-speed image-analysis methodology, and the magnetically compensated rod-bundle test section provide a basis for further experimental studies and model validation. Project results were disseminated through several international conference contributions and a peer-reviewed journal publication and provide a foundation for subsequent work on surface-sensitive boiling models and the post-CHF behavior of advanced cladding materials.
