Simulation für Kernkraftwerke

Die Sicherheit von Druck- und Siedewasserreaktoren in Kernkraftwerken hat an Bedeutung gewonnen und bleibt auch nach dem Atomausstieg ein wichtiges Thema. Computersimulationen unterstützen bei der Optimierung.

CoPool - Mehrdimensionales Containment Pool-Model

Temperaturgradient
© Foto ITWM

Temperaturgradient in Wänden und in der Flüssigkeit eines gefüllten Behälters.

CoPool
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Druck- und Siedewasserreaktoren in Kernkraftwerken

Die Sicherheit von Druck- und Siedewasserreaktoren (DWR und SWR) in Kernkraftwerken hat aufgrund der Ereignisse in Fukoshima verstärkt an Bedeutung gewonnen und bleibt auch nach dem Atomausstieg ein wichtiges Thema, damit kritische Entscheidungen im Falle eines Umbaus oder gar bei einem Störfall zeitnah mittels Computersimulationen unterstützt werden können. Von der Gesellschaft für Reaktorsicherheit (GRS) wird seit Jahren die Software COCOSYS entwickelt und eingesetzt.

 

Temperaturschichtungen im Wasser

In den Raumbereichen im Sicherheitsbehälter von DWR und SWR befinden sich große Wasservorlagen  (Kondensationskammer bei SWR), welche auch bei einem Störfall entstehen können (Sumpf und Reaktorgrube bei DWR, Steuerstabantriebsraum bei SWR). Diese Wasservorlagen weisen eine ausgeprägte dreidimensionale Geometrie auf, in der es zu Temperaturschichtungen im Wasser kommt.

Das Globalmodell COCOSYS kann bisher nur eine gemittelte Wassertemperatur im Wasser berücksichtigen. Daher können die hydrodynamischen und thermischen Prozesse während eines Füllvorgangs in einem Behälter nur sehr grob modelliert werden.

 

Entwicklungen einer kompatiblen Software CoPool

Im Rahmen des BMWi Projekts CoPool bestand somit die Aufgabe eine kompatible Software CoPool zu entwickeln, die eine höhere Genauigkeit für die Strömungs- und die Wärmeaustauschsimulation ermöglicht ohne die Berechnungszeiten für die Simulation gegenüber COCOSYS deutlich zu steigern.

 

Deswegen muss eine Kompromisslösung gefunden werden zwischen:

  • der Genauigkeit der Modelle
  • Diskretisierung der Gleichungen
  • der Geometrie
  • der notwendigen Simulationszeit
Füllungsprozess
© Foto ITWM

Aktuelle Temperatur des Wassers während eines Füllungsprozesses der Behälter.

Interaktiver Präprozessor für die Geometrie-, Netzgenerierung und Raumklassifizierung

Für fast alle Reaktoren liegen keine digitalen Geometriedaten vor, so dass das Berechnungsgebiet selbst zu konstruieren ist. Aus diesem Grunde und um die Wärmeleitung in den Behälterwänden sehr effizient und genau zu berechnen, wurde zusätzlich zum numerischen Lösungskern ein interaktiver Präprozessor für die Geometriegenerierung, Raumklassifizierung und Netzgenerierung entwickelt.

Der Geometriegenerator ermöglicht die interaktive Erzeugung unterschiedliche Geometrieobjekte unter Verwendung von einfachen Basisobjekten (Quader, Zylinder, Kugeln, etc.) und mittels boolescher Operationen. Die Wände der Behälter werden so exakt konstruiert. Die Diskretisierung der Wände ist in lokalen Koordinaten mit Netzverfeinerung realisiert. Der eingeschlossene Raum definiert das Strömungsgebiet in denen die 3D-Navier-Stokes-Gleichungen mit Boussinesq-Näherung mit variablem Füllstand auf einem kartesischen Gitter gelöst werden. Die Wärmeleitberechnung erfolgt sehr effizient getrennt in den einzelnen Objekten und die Gesamtlösung wird mittels einer Gebietszerlegungsiteration ermittelt.

 

Validierung der Software CoPool

Separate Teile der Software wurden auf Basis von Modelproblemen getestet. Komplexere Phänomene wie thermale Schichtungen wurden in realen Anlagenversuchen in Zusammenarbeit mit der Becker Technologies GmbH validiert.

Insgesamt liegt mit der Software CoPool nun erstmals eine Simulationsprogramm vor, dass sehr effizient die lokalen thermischen Unterschiede in Wasservorlagen für die Zwecke der Reaktorsicherheit bestimmen kann. Es wurde erzielt, dass COCOSYS und CoPool in gekoppeltem Regime Simulationen durchführen kann. In einem Anschlussprojekt wird an die Effizienzsteigerung der Kopplung gearbeitet.

Partner

  • Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 1501369 gefördert.
  • GRS mbH, Köln (Koordinator)
  • Becker Technologies GmbH (Unterbeauftragter)