Was ist Filmsieden – Definition

Folgende Abschnitte beschreiben:

• Übergang zum Filmsieden – kritischer Wärmestrom
• Abfahrt vom Filmsieden – Leidenfrost Point

Siedekrise – kritischer Wärmestrom

Wie bereits geschrieben, sind in Kernreaktoren Einschränkungen des lokalen Wärmeflusses für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung. Bei Druckwasserreaktoren und auch bei Siedewasserreaktoren gibt es thermohydraulische Phänomene, die zu einer plötzlichen Abnahme der Effizienz der Wärmeübertragung führen (genauer gesagt des Wärmeübergangskoeffizienten ). Diese Phänomene treten bei einem bestimmten Wert des Wärmeflusses auf, der als „ kritischer Wärmefluss “ bezeichnet wird. Die Phänomene, die die Verschlechterung der Wärmeübertragung verursachen, sind für PWRs und für BWRs unterschiedlich.

Bei beiden Reaktortypen ist das Problem mehr oder weniger mit der Abweichung vom Sieden der Keime verbunden. Der Wärmefluss beim sieden der Keime kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Bei einem bestimmten Wert, den wir als „ kritischen Wärmefluss “ ( CHF ) bezeichnen, kann der erzeugte Dampf eine Isolierschicht über der Oberfläche bilden, was wiederum den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert. Unmittelbar nach Erreichen des kritischen Wärmeflusses wird das sieden instabil und es tritt ein Filmsieden auf. Der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden wird als „ Siedekrise “ bezeichnet. Wie geschrieben wurde, sind die Phänomene, die die Verschlechterung der Wärmeübertragung verursachen, für PWRs und für BWRs unterschiedlich.

Abfahrt vom Blasensieden – DNB

Im Fall von PWRs wird das kritische Sicherheitsproblem als DNB ( Abweichung vom Sieden der Keime ) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt , was zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit führt. Dieses Phänomen tritt im unterkühlten Bereich oder im Bereich geringer Qualität auf. Das Verhalten der Siedekrise hängt von vielen Strömungsbedingungen (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit) ab, aber die Siedekrise tritt bei relativ hohen Wärmeströmen auf und scheint mit der an die Oberfläche angrenzenden Blasenwolke verbunden zu sein. Diese Blasen oder Dampffilme reduzieren die Menge des einströmenden Wassers. Da dieses Phänomen den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert und der Wärmefluss erhalten bleibt, sammelt sich Wärme anin dem Brennstab verursacht dramatischen Anstieg von Mantel- und Kraftstofftemperatur . Es ist einfach eine sehr hohe Temperaturdifferenz erforderlich, um den kritischen Wärmefluss, der von der Oberfläche des Brennstabs erzeugt wird, auf das Reaktorkühlmittel (durch die Dampfschicht) zu übertragen.

Im Fall von PWRs ist der kritische Fluss ein invertierter Ringfluss, während in BWRs der kritische Fluss normalerweise ein Ringfluss ist. Der Unterschied im Flussregime zwischen dem Fluss nach dem Austrocknen und dem Fluss nach dem DNB ist in der Abbildung dargestellt. Bei PWRs im Normalbetrieb wird der Durchfluss als einphasig betrachtet. Es wurden jedoch zahlreiche Studien zur Art der Zweiphasenströmung bei Transienten und Unfällen (z. B. Unfall mit Kühlmittelverlust – LOCA oder Auslösung von RCPs ) durchgeführt, die für die Reaktorsicherheit und für die Reaktorsicherheit von Bedeutung sind muss im Sicherheitsanalysebericht (SAR) nachgewiesen und deklariert werden .

In Druckwasserreaktoren besteht eine der wichtigsten Sicherheitsanforderungen darin, dass während des stationären Betriebs, normaler Betriebstransienten und erwarteter Betriebsereignisse (AOOs) keine Abweichung vom Blasensieden (DNB) auftritt. Die Integrität der Kraftstoffverkleidung bleibt erhalten, wenn der Mindest-DNBR über dem 95/95-DNBR-Grenzwert für PWRs liegt (eine Wahrscheinlichkeit von 95% bei einem Konfidenzniveau von 95%). Das DNB-Kriterium ist eines der Akzeptanzkriterien in Sicherheitsanalysen und stellt eine der Sicherheitsgrenzen in technischen Spezifikationen dar.

Dryout – BWRs

In SWRs ist ein ähnliches Phänomen als „Austrocknung“ bekannt und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung im Bereich hoher Qualität. Bei bestimmten Kombinationen der Strömungsgeschwindigkeit durch einen Kanal, Druck, Strömungsqualität und lineare Wärmerate, die Wand kann Flüssigkeitsfilm erschöpfen und die Wand wird ausgetrocknet . Normalerweise wird die Kraftstoffoberfläche durch siedendes Kühlmittel effektiv gekühlt. Wenn der Wärmefluss jedoch einen kritischen Wert überschreitet (CHF – kritischer Wärmefluss), kann das Flussmuster die Austrocknungsbedingungen erreichen (dünner Flüssigkeitsfilm verschwindet). Die Wärmeübertragung von der Kraftstoffoberfläche in das Kühlmittel wird durch a verschlechtert drastisch erhöhte Kraftstoffoberflächentemperatur . In der hochwertigen Region tritt die Krise bei einem geringeren Wärmefluss auf. Da die Strömungsgeschwindigkeit im Dampfkern hoch ist, ist die Wärmeübertragung nach CHF viel besser als bei einem kritischen Fluss geringer Qualität (dh bei PWRs sind die Temperaturerhöhungen höher und schneller).

Abweichung vom Filmsieden – Leidefrostpunkt

Der Leidenfrostpunkt , der dem minimalen Wärmefluss entspricht , ist von praktischem Interesse, da er die Untergrenze für den Wärmefluss im Filmsiedebereich darstellt. Wenn der Wärmefluss unter dieses Minimum fällt, kollabiert der Film, wodurch die Oberfläche abkühlt und das sieden der Keime wiederhergestellt wird. Daher tritt zu diesem Zeitpunkt eine Rückkehr zum Keimen der Keime (RNB) auf. Die Begriffe Abschrecken, minimaler Wärmefluss, Rückkehr zum Keimen der Keime, Abweichung vom Filmsieden, Zusammenbruch des Filmsiedens und Leidenfrostpunkt wurden synonym verwendet, um verschiedene Formen der Wiederbenetzung zu bezeichnen, aber sie sind nicht genau synonym.

Unter Verwendung der Stabilitätstheorie leitete Zuber den folgenden Ausdruck für den minimalen Wärmefluss (und den entsprechenden Leidenfrostpunkt ) für eine große horizontale Platte ab:

wo

• q _min – minimaler Wärmefluss [W / m ² ]
• h _fg  – Verdampfungsenthalpie, J / kg
• g – Gravitationsbeschleunigung m / s ²
• ρ _l – Dichte der Flüssigkeit kg / m ³
• ρ _v – Dampfdichte kg / m ³
• σ – Grenzfläche zwischen Oberflächenspannung, Flüssigkeit und Dampf N / m