High-temperature reactor code package thermo-fluid dynamics development

  • Hochtemperaturreaktor Code Package Thermofluiddynamik Entwicklung

Trabadela Ramirez, Alfonso; Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor); Macián-Juan, Rafael (Thesis advisor); Olivier, Herbert (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Das Hochtemperaturreaktor Code Package (HCP) ist ein Codesystem zur Simulation von Hochtemperaturreaktoren (HTR). Die Vorhersage des Reaktorverhaltens in Betrieb und eventuellen Störfällen erfordert eine belastbare Reaktordynamiksimulation. Eine solche Simulation erfordert einen Code, in dem die wechselseitigen Rückwirkungen von Neutronik und Thermofluid-dynamik berücksichtigt sind. Eine solche gekoppelte Behandlung ist zentraler Baustein des HCP. Bei einem Genehmigungsverfahren von Kernkraftwerken ist die Simulation von Auslegungs- und auslegungsüberschreitenden Störfällen zwingend gefordert. Solche Simulationen erfordern umfassend validierte Codes. Dadurch wird auch das aktuelle Wissen bezüglich der relevanten physikalischen, chemischen und strukturmechanischen Parameter in den jeweils bei Störfällen zu erwartenden Temperatur- und Druckbereichen etc. dokumentiert. Die zentrale Aufgabe dieser Arbeit besteht in der Integration von MGT-FD und MGT N in HCP. MGT-3D ist ein Multienergiegruppen-3D-Reaktordynamik-code für Hochtemperaturreaktoren. Vor der Integration wurde dieser Code umstrukturiert und in zwei Module getrennt: MGT-FD (Thermofluiddynamik) und MGT-N (Neutronik). Die beiden getrennten Module wurden an die HCP-Plattform gekoppelt. Das so erweiterte HCP wurde verifiziert und validiert und seine Anwendbarkeit für die Simulation von HTR-Störfallszenarien für das HTR-MODUL-Konzept demonstriert. Der Erfolg der Kopplung wurde durch die genaue Reproduktion der Ergebnisse von MGT-3D als eigenständigem Code sichergestellt. Die HCP Thermofluid-dynamikfähigkeiten einschließlich Graphitkorrosion wurden mit Referenzcodes und Designwerten abgeglichen und anhand von Experimenten validiert. Neue Reaktordynamikfähigkeiten, wie die Berechnung einer vereinfachten Transiente, konnten gezeigt werden. HCP ist nun eine hoch integrierte Plattform zur Simulation stationärer Zustände und Unfallszenarios in Hochtemperaturreaktoren. Die Umstrukturierung einiger HCP Module und deren Analyse haben das Verständnis der Hochtemperatur-simulation deutlich gesteigert. Verbunden mit Verbesserungen in der Programmierung mit modernsten Techniken hat dies zu einer HCP-Version geführt, die aktuell der umfassendste Code zur Hochtemperaturreaktoranalyse ist und so eine solide Basis für weitere Entwicklungsschritte darstellt. Zwingend erforderlich ist jedoch zukünftig eine intensive Validierung durch Entwickler-unabhängige Nutzer.

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