Experimentelle Untersuchungen und analytischen Modellierung von adiabaten Siedevorgängen in Naturumlaufsystemen

Thèse de doctorat (2020)

Moderne Nuklearreaktoren setzen vermehrt auf den Einsatz passiver Sicherheitssysteme, damit die Integrität des Sicherheitsbehälters im Falle eines Unfalls sichergestellt werden kann. Um eine passive ... [plus ▼]

Moderne Nuklearreaktoren setzen vermehrt auf den Einsatz passiver Sicherheitssysteme, damit die Integrität des Sicherheitsbehälters im Falle eines Unfalls sichergestellt werden kann. Um eine passive Wärmeabfuhr aus dem Sicherheitsbehälter an die Umgebung zu ermöglichen, werden Naturumlaufsysteme verwendet. Diese haben den Nachteil, dass Instabilitäten auftreten, sobald es zu Verdampfungen im Naturumlauf kommt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Instabilitäten in einem zweiphasigen Naturumlaufsystem. Nach einer detaillierten Literaturrecherche über bestehende Versuchsanlagen, wurden während des ersten Teils dieser Arbeit experimentelle Untersuchungen zum Stabilitätsverhalten von Naturumlaufsystemen durchgeführt. Hierfür wurde die Versuchsanlage INTRAVIT designt und an der Universität Luxemburg errichtet. INTRAVIT bietet zum einen ein hohes Maß an Flexibilität für die Auslegung der Rohrleitungen und zum anderen den Vorteil der direkten, elektrisch steuerbaren Wärmezufuhr. Es wurden zwei Messkampagnen durchgeführt. In der ersten Messkampagne wurde, bei konstanter Steigrohrlänge, der Einfluss des Heizrohrneigungswinkels auf die Instabilitäten untersucht. Für die zweite Messkampagne wurde, bei konstantem Neigungswinkel des Heizrohrs, zum einen der Einfluss der Steigrohrlänge und zum anderen der Einfluss des Strömungswiderstands im Fallrohr auf die Instabilitäten untersucht. Für die Untersuchungen wurden die Temperaturen, der Massenstrom und die Verteilung des Dampfgehalts im Steigrohr analysiert. Zudem wurde der Druckverlauf während der Instabilitäten gemessen, um die Druckstöße während den Kondensationsschläge zu untersuchen. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung von Verdampfungsvorgängen in adiabaten Rohren hergeleitet. Das Modell besteht aus mehreren Teilmodellen, die die Phasenoberflächendichte und die Verdampfungsrate in Abhängigkeit der Strömungsform berechnen. Das Einsetzen der Verdampfung wird hierbei über ein integriertes Keimbildungsmodell berechnet. Das hergeleitete Modell wurde in den Systemcode ATHLET implementiert. Die Versuche aus den INTRAVIT-Messkampagnen wurden mit dem neuen Verdampfungsmodell und dem Standard-Verdampfungsmodell modelliert. Anschließend wurden die Ergebnisse mit den Messdaten verglichen. Mit der Realisierung der INTRAVIT-Anlage legt diese Arbeit einen Grundstein für weiterführende Untersuchungen an Instabilitäten in Naturumlaufsystemen. Zudem wurde ein Verdampfungsmodell hergeleitet, das durch Anpassen einzelner Teilmodelle beliebig weiterentwickelt werden kann. [moins ▲]