Passive shutdown and decay heat removal of a small modular reactor with density locks

  • Passive Abschaltung und Nachwärmeabfuhr eines kleinen modularen Reaktors (SMR) mittels Dichtesperren

Zhang, Tian; Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor); Macián-Juan, Rafael (Thesis advisor); Kneer, Reinhold (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Eine Dichtesperre ist ein offenes Rohrbündel, das zwei Flüssigkeitsreservoire mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verbindet. Aufgrund der Unterschiede in der Dichte und anderen Materialeigenschaften bildet sich in der Dichtesperre eine stabile Schichtung aus. Solange ein Druckgleichgewicht zwischen beiden Flüssigkeitsvolumina herrscht, wirkt die Schichtung als stabile Trennung. Im Fall eines Druckungleichgewichts strömt automatisch Fluid in Richtung des niedrigeren Drucks. Auf diese Weise funktioniert eine Dichtesperre wie ein passives, ausfall- und blockiersicheres Ventil. In Reaktorkonzepten werden Dichtesperren eingesetzt, um den primären Kühlkreislauf von einem kalten hochborierten Wasserbecken zu trennen. Aufgrund der Höhenunterschiede zwischen den Dichtesperren stellt sich im Normalbetrieb eine stabile Druckbilanz ein. Die Position der Schichtung in der Dichtesperre wird mittels der Förderleistung der Primärkühlmittelpumpen stabilisiert. Bei einer Abweichung aus dem Normalbetrieb bricht die Trennung auf, kaltes hochboriertes Wasser strömt in den primären Kühlkreislauf, unterbricht die Kettenreaktion und führt die Nachzerfallswärme passiv über Naturkonvektion an das Becken ab. Das Verhalten von Dichtesperren wurde ursprünglich für das PIUS und ISIS Reaktorkonzept (1980er und 1990er Jahre) untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit werden Dichtesperre in das Sicherheitskonzept eines fiktiven 200 Mwth iPWR integriert und ihr dynamisches Verhalten als Abschalteinrichtung sowie zur Nachwärmeabfuhr mit aktuellen Rechenmethoden untersucht. Dazu wurde eine Programmkopplung zwischen dem CFD-Programm ANSYS CFX und dem Punktkinetik-Löser PoKiMON entwickelt und ein Modell des Primärkreislaufs und des Beckens erstellt. Verschiedene Betriebs und Störfalltransienten wurden simuliert, um das dynamische Verhalten des iPWR mit Dichtesperren zu untersuchen. Die Arbeit hat gezeigt, dass Dichtesperren in ein iPWR-Konzept implementiert werden können. Im stationären Normalbetrieb sowie im Lastfolgebetrieb wird die stabile Trennung von Becken und Kühlkreislauf mittels der Pumpenregelung gewährleistet. Bei Ausfall einer oder mehrerer Kühlmittelpumpen ermöglichen die Dichtesperren eine passive Reaktorabschaltung innerhalb weniger Sekunden, ohne dass eine Überhitzung des Kerns auftritt. Im Fall des Bruchs in einer Frischdampfleitung ist das Ansprechverhalten der Dichtesperre begrenzt. Die Pumpenregelung verhindert in dieser langsamen Transiente ein Öffnen der Dichtesperre und nur eine geringe Menge hochboriertes Wasser gelangt in den Kühlkreislauf. Der Reaktor wird jedoch durch die negative Temperaturrückkopplung stabilisiert und heruntergefahren. Anschließend wird die Nachzerfallsleistung über Naturzirkulation passiv an das Becken abgeführt. Im Reaktorkern wurde kein Sieden festgestellt.

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