sCO2-QA

Im Schutzziel „Kühlung der Brennelemente“ spielt die sichere Nachwärmeabfuhr nach wie vor eine zentrale Rolle in der Reaktorsicherheitsforschung. Für die Nachrüstung existierender Leichtwasserreaktoren werden derzeit Konzepte für ein autarkes, sCO₂ betriebenes Nachwärmeabfuhrsystem (NWAS) auf Basis eines Joule-Kreislaufes ausgearbeitet. Hierbei sollen nur kompakte Komponenten verwendet werden, die im begrenzten Bauraum existierender Reaktoren Platz finden. Das NWAS besteht im Wesentlichen aus einem Turbokompressorsystem (TKS) im Reaktorgebäude, einem Kompaktwärmeübertrager im Containment mit Anschluss zur Dampf- und Speisewasserleitung sowie einer Verbindung zur Umgebung als diversitäre ultimative Wärmesenke. Theoretische Voruntersuchungen unter Verwendung des deutschen Reaktorsicherheitscodes ATHLET (Analyse der THermodynamik von LEcks und Transienten) haben die generelle Wirksamkeit eines solchen Konzeptes gezeigt.

Im Rahmen des Projektes sCO₂-QA (Qualifizierung von Anlalysewerkzeugen zur Bewertung nachwärmegetriebener, autarker Systeme zur Nachwärmeabfuhr) soll durch eine Modellerweiterung des Reaktorsicherheitscodes ATHLET durch die Ergebnisse von Validierungsexperimenten, eine verbesserte Simulation eines autarken Nachwärmeabfuhrsystems ermöglicht werden, um somit die getroffenen Maßnahmen zur Überführung der Nachwärme in eine diversitäre ultimative Wärmesenke in ausreichender fachlicher Breite beurteilen zu können.

Um die Wärmeübertragungs- und Druckverlusteigenschaften von sCO2 im überktritischen Bereich verstehen und in komplexen Strukturen wie Wärmetauschern simulieren zu können, müssen zunächst einfache Geometrien wie ein einzelnes Rohr betrachtet werden. Aus diesem Anlass wurde zur Untersuchung der Wärmeübergangs- und Druckverlustkorrelationen in der Nähe des kritischen Punkts am IKE ein neuer Versuchsstand für Grundlagenuntersuchungen aufgebaut. Die Versuche finden an der SCARLETT-Versuchsanlage (Supercritical Carbondioxide Loop at IKE Stuttgart) statt, die sCO₂ unter definierten Bedingungen bereitstellt.

Schema des sCO2-QA Versuchsstands, 2018 © Theologou, IKE

Der Versuchsstand besteht aus drei Rohren die sich lediglich im Durchmesser unterscheiden. Der Versuchstand kann variabel auf einem Gestell montiert werden und ermöglicht Experimente mit horizontalen, aufwärts und abwärts gerichteten Strömungen. Die erste und der zweite Teststecke unterscheiden sich im Innendurchmesser der verwendeten Testrohre (4 mm und 8 mm). Die dritte Teststrecke dient zur Untersuchung von Druckverlusten. Die einzelnen Teststrecken werden direkt eine anliegende elektrische Spannung beheizt. Vor dem Eintritt in die Teststrecken werden der Massenstrom, die Eintrittstemperaturen und der Absolutdruck gemessen. Die Gesamtlänge des ersten Testrohres beträgt 2360 mm mit einer beheizten Länge von 1640 mm. Das zweite Testrohr ist 2500 mm lang mit einer beheizten Länge von 2040 mm. Zur Berechnung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten wurden Widerstandstemperatursensoren an der Außenoberfläche der Testrohre montiert.

Foto des sCO2-QA Versuchsstands, 2018 © Theologou, IKE