Simulation der Strömungsverhältnisse in einem DWR (Vor-Konvoi)

Ziel der Untersuchung war der Nachweis möglicher Wirbel zwischen der 8.-9. Abstandshalterebene eines Vorkonvoi-Kerns, die zu Temperatur-Wechselbelastungen führen könnten. Es wurde eine 3D-CFD Modell genutzt, die instationäre Rechnung wurde mit einem geeignetem hybriden RANS-LES SBES Turbulenzmodell durchgeführt. Die CFD-Rechnung war off-line gekoppelt mit einem Neutronenkinetikprogramm (DYN3D). Es erfolgte eine Nutzung bekannter Druckverluste über der Kernhöhe zur Festlegung von Permeabilität und Widerstandskoeffizienten. Hierbei erfolgte eine Absicherung durch Vergleichsrechnungen mit einem Modell aus der Literatur. Die neutronenkinetische Rechnung wurde unter Normalbetriebsbedingungen mit einer prototypischen Leistungsverteilung im Kern bei EOC durchgeführt. Die Ergebnisse der Berechnung zeigen keine großflächigen dominanten Wirbel im oberen Kernbereich. Der Kern wirkt als Gleichrichter und dämpft großräumige Wirbel. Die Analysen umfassten mehrere Höhenebenen im Kern und zeigen, dass in einigen Bereichen des Kernquerschnitts eine nach oben zunehmend gerichtete laterale Strömung zu den Austrittsstutzen auftritt. In anderen Bereichen des Kernquerschnitts tritt dagegen kaum Querströmung auf. Die Geschwindigkeiten sind Leerrohrgeschwindigkeiten. Um diese in Strömungsgeschwindigkeiten umzurechnen, müssen diese durch die Porosität (ca. 0.4 in vertikaler und ca. 0.25 in horizontaler Richtung) geteilt werden. Die berechnete Leerrohrgeschwindigkeit von 2 m/s entspricht einer Strömungsgeschwindigkeit im Kern von ca. 5 m/s. Analog ist die Transversalgeschwindigkeit von 0.05 m/s (Leerrohr) einer Strömungsgeschwindigkeit von 0.2 m/s gleichzusetzen.
Folgende Einschränkungen des Modells gelten jedoch: Im Modell sind alle Brennelemente gleich behandelt und Querströmungen auf Grund unterschiedlicher axialer Druckverluste bei verschiedenen BE-Typen können nicht dargestellt werden. Die komplexe Struktur der BEs (bspw. Strömungsfahnen in AHs) könnte einen Einfluss auch auf die Bildung großräumiger Wirbel haben. Dieser Effekt könnte nur mit einer sehr hohen Anzahl Gitterelemente aufgelöst werden (mehrere Milliarden). Dies ist momentan rechentechnisch noch nicht möglich. Auch der mögliche Einfluss von Zweiphasenströmungen wurde nicht betrachtet.