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ENSI Erfahrungs- und Forschungsbericht 2011

1.5.1 STARS – Safety Research in

Relation to Transient Analysis

for the Reactors in Switzerland

Auftragnehmer: Paul Scherrer Institut PSI

ENSI-Projektbegleiter: Torsten Krietsch, Andreas

Gorzel

Bericht der Forscher in Anhang A

Einleitung

Mit dem Projekt STARS wird die seit 1988 erfolg-

reiche Zusammenarbeit zwischen dem ENSI und

dem PSI im Bereich der Sicherheitsanalysen fortge-

setzt. Die Aufgabe des STARS-Projekts ist die Pfle-

ge und Weiterentwicklung von Methoden und Re-

chenprogrammen für die Durchführung von de-

terministischen Sicherheitsanalysen. Diese schlies-

sen das Anlageverhalten vom Normalbetrieb bis zu

auslegungsüberschreitenden Störfällen (bis zum

evtl. Kernschmelzen) ein.

Projektziele des Berichtsjahres und

wichtige Ergebnisse

Brennstoffverhalten

Die Weiterentwicklung und Validierung des Brenn-

stoffprogramms FALCON für die Simulation von

Kühlmittelverlust- und Reaktivitätsstörfällen wur-

de fortgesetzt. Insbesondere wurde am OECD-

Haldenreaktor anhand der Vorausberechnungen

mit FALCON ein Kühlmittelverlusttest mit einem

Brennstabsegment aus dem Kernkraftwerk Leib-

stadt (KKL) durchgeführt, der die Eignung von

FALCON bestätigte. Für Kühlmittelverlusttests im

Rahmen des japanischen ALPS-Forschungspro-

jekts konnten die wichtigsten Parameter sehr ge-

nau simuliert werden. Die Teilnahme an einem Ver-

gleichstest (Benchmark) im Rahmen der OECD/

NEA für die Berechnung von Reaktivitätsstörfällen

zeigte ebenfalls die Eignung von FALCON auf, wo-

bei auch eine Schwachstelle hinsichtlich der quan-

titativen Beschreibung der Hüllrohrdehnung er-

kannt und behoben wurde.

Reaktorkern

Eine Unterkanal-Analysemethode für die Bestim-

mung des Abstands zum Filmsieden (Departure

from Nucleate Boiling, DNB) in Brennelementen

wurde weiterentwickelt. Die Nachrechnung eines

OECD-Benchmarks zum DNB-Verhalten zeigte

eine gute Übereinstimmung, wobei die berech-

nete DNB-Leistung meist etwas kleiner ausfiel, d.

h. konservativ war. Die Einführung des Brennstab-

gitter-Programms CASMO-5M wurde verstärkt

betrieben. Die Leistungsverteilung im Reaktor

konnte damit sehr gut reproduziert werden, wo-

bei aber noch grössere Abweichungen von der

kritischen Borkonzentration festgestellt wurden,

die noch untersucht werden. Im Rahmen des EU-

Projekts NURISP wurde das Brennsta/jointfilesconvert/360025/bgitter-Pro-

gramm APOLLO weiterentwickelt. Benchmark-

Rechnungen für Druck- und Siedewasserreaktoren

(DWR, SWR) zeigten die Eignung für Uranoxid-

und Mischoxid-Brennstoff. Die Validierungsbasis

für SWR-Stabilitätsanalysen mit dem Rechenpro-

gramm SIMULATE-3K wurde anhand älterer KKL-

Stabilitätstests erweitert. Es zeigte sich eine sehr

gute quantitative Beschreibung des Schwingungs-

verhaltens. Nur bei einem weiter in der Vergan-

genheit liegenden Test (Zyklus 10) gab es grössere

konservative Abweichungen, die wohl auf die zu

diesem Zeitpunkt deutlich anderen Brennelement-

typen zurückzuführen sind.

Systemverhalten

Die Modellierung der schweizerischen Kernan-

lagen mit dem Systemcode TRACE wurde durch

STARS konsequent fortgesetzt. Es wurden me-

thodische Neuentwicklungen für die bestehen-

den schweizerischen Reaktoren durchgeführt. Die

Modelle wurden anhand verschiedener Methoden

validiert: mittels Nachrechnungen für Transienten

bestehender Anlagen, Experimenten an grosstech-

nischen Versuchsanlagen im Rahmen von Bench-

mark-Programmen oder durch den Vergleich mit

anderen Rechenprogrammen, deren Eignung be-

reits nachgewiesen war.

Weitere Schwerpunkte der Entwicklung liegen im

Bereich der Kopplung von Methoden, beispiels-

weise des Systemcodes TRACE mit Simulations-

programmen für die Fluiddynamik (Computational

Fluid Dynamics CFD). Erste Untersuchungen mit

dem FLICA-4-Code für Unterkanalanalysen und

für Abschätzungen des Filmsiedeabstandes (De-

parture from Nucleate Boiling DNB) bei Druckwas-

serreaktoren wurden durchgeführt. Kopplungen

zwischen TRACE und CFX wurden validiert un-

ter Verwendung von Ergebnissen des FLORIS-Ver-

suchsstands.

Im Bereich Multiphysik und Unsicherheitsanaly-

sen erfolgen vorwiegend dynamische Kopplungen

der Thermohydraulik des Reaktors und des Primär-

kreislaufs mit der dreidimensionalen Kinetik des

Reaktorkerns. Die Verifikation der Kopplung zwi-

schen TRACE und S3K wurde mit der Teilnahme

an der Analyse des OECD/NEA-Benchmarks zum

Frischdampfleitungsbruch an Druckwasserreak-

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