Strömungsinstabilität
Im Allgemeinen gibt es eine Reihe von Instabilitäten , die in Zweiphasensystemen auftreten können . In der Kerntechnik , Studium der mehrphasigen Strömungsstabilität ist von Bedeutung bei Unfallmanagement von Druckwasserreaktoren und der höchsten Bedeutung in normalen / anormalen Bedingungen in Siedewasserreaktoren .
In PWRs im Normalbetrieb wird der Durchfluss als einphasig betrachtet. Es wurden jedoch zahlreiche Studien zur Strömungsinstabilität bei Transienten und Unfällen (wie zum Beispiel dem Unfall mit Kühlmittelverlust – LOCA oder der Auslösung von RCPs bei Vorhandensein einer natürlichen Zirkulation ) durchgeführt , bei denen es zu Strömungsschwankungen oder Strömungsumkehrungen kommen kann auftreten.
Strömungsoszillationen sind Schwankungen der Strömung, die insbesondere durch Hohlraumbildungen verursacht werden, und diese sind aus mehreren Gründen unerwünscht.
- Strömungsschwingungen können zu unerwünschter mechanischer Beanspruchung der Kraftstoffkomponenten (z. B. Abstandsgitter) führen. Dies kann zu einem Ausfall dieser Komponenten aufgrund von Ermüdung führen.
- Strömungsschwingungen beeinflussen die lokalen Wärmeübertragungseigenschaften . Im Fall von DWR wird das kritische Sicherheitsproblem namens DNB ( Abfahrt von Blasensieden ), das die Bildung einer bewirkt , dass lokalen Dampfschicht , eine drastische Reduzierung der Wärmeübertragungsfähigkeit verursacht. Es wurde durch die Prüfung , dass der gefundene kritische Wärmefluss (CHF) erforderlich für die Abfahrt von Blasensieden (DNB) kann um bis zu 40% gesenkt werden , wenn die Strömung oszilliert. Dies verringert die thermische Grenze und die Leistungsdichte entlang der Länge des Reaktorkerns erheblich .
Strömungsoszillationen kann ein Problem während sein natürliche Zirkulation Operationen (zB nach der Reise aller RCP). Die natürliche Zirkulation ist ein wichtiges Konstruktionsmerkmal und der ultimative Wärmeabfuhrmechanismus. Aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, kann Kühlmittel siedende auftreten und dies kann Strömungsoszillationen bilden. Während der natürlichen Zirkulation können die während einer Strömungsoszillation gebildeten Dampfblasen eine ausreichende Wirkung haben, um tatsächlich eine vollständige Strömungsumkehr in dem betroffenen Kanal zu bewirken.
In SWRs tritt die Verdampfung von Kühlmittel bei normalem Betrieb auf und es ist ein sehr erwünschtes Phänomen. Zum anderen führt die konvektive Verdampfung im Kraftstoffkanal dazu, dass sich das Strömungsmuster entlang des Kraftstoffkanals in Abhängigkeit von Durchflussmenge und Wärmeleistung ändert. Es hat sich gezeigt , dass es destabilisierenden Regionen , in denen eine Zweiphasenströmung Instabilitäten auftreten können. Diese zweiphasigen Strömungsinstabilitäten sind unerwünscht, da sie zu mechanischen Vibrationen und Problemen bei der Systemsteuerung führen, den normalen Betrieb beeinträchtigen, Betriebsparameter einschränken und die Reaktorsicherheit beeinflussen können. Es muss angemerkt werden, dass die Strömungsstabilität in SWR über viele Jahre hinweg kein großes Problem darstellt, da es sich um ein bekanntes Phänomen handelt.
Im Allgemeinen gibt es viele Klassifikationen von Strömungsinstabilitäten. Die folgende Klassifizierung basiert auf thermohydraulischen Grundmechanismen:
Die statischen Instabilitäten sind:
- Strömungsexkursion
- siedende Krise
- Entspannungstypen, einschließlich Flussmusterübergang
Die dynamischen Instabilitäten sind:
- Dichtewellenschwingungen
- Druckabfallschwingungen
- Thermische Schwingungen .
Die richtige Charakterisierung der Instabilitäten und die Bedingungen für ihr Auftreten können den optimalen und sicheren Betrieb der Systeme bestimmen. Die am meisten akzeptierte Erklärung für das Auftreten des dynamischen Typs von Instabilitäten, die als Dichtewellenoszillationen (DWO) bezeichnet werden .
Die Dichtewelle verursacht eine Verzögerung des lokalen Druckabfalls , die durch eine Änderung des Einlassstroms verursacht wird. Aufgrund dieser Verzögerung kann die Summe aller lokalen Druckabfälle zu einem Gesamtabfall führen, der mit dem Einlassstrom phasenverschoben ist. Der grundlegende Mechanismus, der Strömungsinstabilitäten in SWRs verursacht, ist die Dichtewelle. Die charakteristischen Perioden dieser Schwingungen hängen mit der Zeit zusammen, die ein Fluidteilchen benötigt, um sich durch die gesamte Schleife zu bewegen.
In SWR beobachtete Arten von Instabilitäten
- Instabilitäten des Steuerungssystems. Instabilitäten des Steuersystems hängen mit der Wirkung von Reglern zusammen, die über Aktuatoren versuchen, einige der Variablen des Reaktors zu regulieren.
- Kanalflussinstabilitäten. Diese Art von Instabilität kann wie folgt beschrieben werden: Nehmen wir eine Strömungsstörung an. Diese Störung verursacht eine “Welle” von Hohlräumen, die sich durch den Kanal nach oben bewegen und einen zweiphasigen Druckabfall erzeugen (der Druckabfall nimmt mit zunehmendem Hohlraumanteil signifikant zu), der gegenüber der ursprünglichen Störung verzögert ist. Ein Anstieg des Kanaldruckabfalls (Dichtewelle) kann zu einer Instabilität der Durchflussrate führen.
- Gekoppelte neutronisch-thermohydraulische Instabilität. Die dominierende Art von Instabilitäten in kommerziellen BWRs ist die gekoppelte neutronisch-thermohydraulische Instabilität (auch als Reaktivitätsinstabilität bekannt ). Die Energieerzeugung in Siedewasserreaktoren ist direkt mit dem Kraftstoff im Zusammenhang Neutronenfluß , die stark auf den durchschnittlichen zusammenhängt Hohlraumanteil in den Kernkanälen durch. Dieser Effekt wird als Reaktivitätsrückkopplung bezeichnet . Die durch Änderungen des Hohlraumanteils ( Hohlraumkoeffizient ) verursachte Rückkopplung der Reaktivität wird verzögert, wenn sich die Hohlräume durch den Kraftstoffkanal nach oben bewegen. In einigen Fällen kann die Verzögerung lang genug sein und die Rückmeldung ungültig machenkann stark genug sein, dass die Reaktorkonfiguration instabil wird. In diesem Fall kann der Neutronenfluss schwingen.
Besondere Referenzen:
- Francesco D’Auria, Das BWR-Stabilitätsproblem, THICKET 2008 – Sitzung IX – Papier 26
- Dag Strømsvåg, Grundlegende Mechanismen von Dichtewellenschwingungen und der Effekt der Unterkühlung, NTNU, 2011.
- J. March-Leuba, Dichte-Wellen-Instabilitäten in Siedewasserreaktoren. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.
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