Abstract :
[de] 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.
[en] Modern nuclear reactors increasingly use passive safety systems to ensure the integrity
of the containment in the event of an accident. Natural circulation systems allow passive
heat removal from the containment to the environment. One of their disadvantages is
that instabilities develop as soon as evaporation occurs in the system.
This thesis investigates instabilities in two-phase natural circulation systems. After comprehensive literature review on existing test facilities, the first part of this work presents
experimental investigations on the stability behaviour of natural circulation systems. To
conduct these investigations, the INTRAVIT test facility was designed and constructed
at the University of Luxembourg. INTRAVIT offers both a high degree of flexibility in
the design of the pipelines and the advantage of a direct, electrically controllable heat
supply. Two measurement campaigns were carried out. During the first campaign, the
influence of the heating tube inclination angle on the instabilities was investigated at
constant riser pipe length. During the second measurement campaign, the influence of
the riser pipe length and the influence of the flow resistance in the downcomer pipe were
investigated at a constant inclination angle of the heating tube. For these investigations,
temperatures, mass flow and the distribution of void in the riser pipe were analysed.
In addition, pressure response during the instabilities was measured to investigate the
pressure shocks caused by water hammering.
The second part of this work develops an analytical model to decribe evaporation processes in adiabatic pipes. The model consists of several sub models that calculate the
interfacial surface density and the evaporation rate as a function of the flow pattern. An
integrated nucleation model calculates the onset of the evaporation. The derived model
was implemented in the system code ATHLET. Experiments from the INTRAVIT measurement campaigns were then modelled using the new evaporation model as well as the
standard evaporation model. Both were compared with the measurement data.
The design and construction of the INTRAVIT test facility is a foundation for future
research on instabilities in natural circulation systems. Moreover, a new evaporation
model is presented, which can easily be adapted and refined by modifying individual
sub models.
