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Untersuchung der Strömungsform im oberen Plenum eines Druckwasserreaktors

 

Dr.-Ing. M. Boddem

 

Druckwasserreaktoren stellen auch beim Verlust des Kühlmittels keine Gefahr für ihre Umgebung dar. Sinkt im Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors der Druck infolge eines Kühlmittelverlust-Störfalles, kommt es zum Verdampfen des Kühlwassers im Bereich der Brennelemente. Es entsteht eine zweiphasige Strömung, die durch das obere Plenum in Richtung des Leckes in der Hauptkühlmittelleitung strömt. Zur Auslegung der Notkühleinrichtungen ist die Voraussage der Strömung erforderlich. Zum Messen der hierfür notwendigen Parameter wurde eine Versuchsanlage errichtet, in der ein Ausschnitt des oberen Plenums eines Druckwasserreaktors im Maßstab 1:1 nachgebildet ist. Die zweiphasige Strömung besteht aus Wasser und Luft. Die in der Anlage beobachteten Strömungsformen sind abhängig von den eingespeisten Volumenströmen und reichen von der Tropfenströmung bis zur stark durchmischten Sprudelschicht, die das gesamte Volumen der Meßkammer einnimmt. Damit der Reaktorkern immer gekühlt wird, ist es notwendig, daß im oberen Plenum kein Fluten eintritt, d.h. die Flüssigkeit immer nach unten zu den Brennstäben abfließt. Daher werden die Flutkurven der Anlage in Abhängigkeit von den eingespeisten Volumenströme der Luft und des Wassers gemessen. Zur Charakterisierung der entstehenden Sprudelschicht wird der lokale volumetrische Flüssigkeitsgehalt mit einer Leitfähigkeitssonde gemessen, die mit einer Vorrichtung an allen Orten in der Meßkammer positioniert werden kann.

 

Für das Messen der Tropfendurchmesser und -geschwindigkeiten wird eine neue optische Meßtechnik entwickelt. Das Meßverfahren beruht auf der Brechung eines Laserstrahls an der Oberfläche des Tropfens. Mit einer Photodiode wird das gebrochene Licht als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Aus der Intensität des Lichts wird der Tropfendurchmesser, aus der Dauer des Lichtsignals wird die Tropfengeschwindigkeit berechnet. Anhand der erhaltenen Meßwerte wird eine phänomenologische Beschreibung der zweiphasigen Strömung vorgenommen. Die Strömung in der Sprudelschicht ist durch aufwärts gerichtete Bewegungen von Wasserschwällen und -tropfen gekennzeichnet. Diese erreichen eine bestimmte Höhe, bevor sie herabfallen und erneut durch das aufwärts strömende Gas mitgerissen werden. Aus der Bewegung der Wasserschwälle können die Verweilzeiten und die Verteilung der Flüssigkeit in der Sprudelschicht berechnet werden.