Simulation des Wärme- und Stofftransports in Brennelementen unter den Bedingungen eines ausdampfenden Lagerbeckens

Von:

Tobias Hanisch

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Am 11. März 2011 verursachte ein starkes Erdbeben mit nachfolgendem Tsunami große Schäden im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi in Japan. Dadurch kam es zum Ausfall der Stromversorgung und Versagen der Kühlsysteme für die in den Lagerbecken gelagerten Brennelemente. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen droht in diesem Fall eine Überhitzung der Brennelemente und im schlimmsten Fall der Austritt von radioaktivem Material in die Umwelt. Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stand die Untersuchung des komplexen Zusammenspiels von Strömung und Wärmetransport bei solch einem Unfallszenario, das zu teilweise freigelegten Brennelementen führt. Für die detaillierte Analyse der Vorgänge wurden erstmals dreidimensionale, numerische Strömungssimulationen unter Berücksichtigung der exakten Geometrie und aller relevanten Wärmetransportmechanismen für ein teilweise freigelegtes Brennelement durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Karenzzeit bis zum Erreichen der kritischen Brennstabtemperatur hauptsächlich vom Füllstand und der Leistung der Brennstäbe abhängt. Die Strömung oberhalb des Brennelements beeinflusst zusätzlich die Wärmeabfuhr. So steigt die Temperatur im Brennelement bei einer Kombination aus geringer Temperatur, geringem Dampfmassenanteil und hoher Geschwindigkeit der Querströmung signifikant an. Diese Ergebnisse ermöglichen die Ableitung gezielter Beladungsstrategien von Lagerbecken, die die voraussichtliche Karenzzeit in der Größenordnung von Stunden verlängern.