Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6749
Investigations
of the Appropriateness of RELAP5/MOD3 for the Safety Evaluation of an
Innovative Reactor Operated at Thermodynamically Supercritical Conditions
Víctor
Hugo Sánchez-Espinoza, Wolfgang Hering
Abstract
Abstract
The high
performance light water reactor (HPLWR) project is being carried out within the
5. European Framework Programme (Contract N° FIKI-CT-2000-00033). The main
objective of this project is to evaluate the technological merits and economics
of a high efficiency light water reactor (LWR) operating at thermodynamically
supercritical conditions. One of the con-cepts developed by the Tokyo
University, the high temperature supercritical light water reac-tor (SCLWR-H),
was chosen as the reference plant for the HPLWR-project.
A major
activity of the HPLWR-project is the assessment of the appropriateness of
RELAP5 -developed for light water reactors- to perform steady-state and safety
analysis of the refer-ence plant.
The
investigation of such reactor concepts whose operating conditions are far
beyond the operation range of current light water reactors, is very challenging
for codes like RELAP5.
Since RELAP5
was not developed for supercritical water conditions and therefore not
vali-dated in this domain, the investigations to check the appropriateness of
RELAP5 are focused on the following areas:
· Thermo-physical
properties of water in the supercritical region.
· Heat
transfer mechanisms for wall/supercritical water and corresponding
correlations.
· Development
of a simplified plant model for steady state and transient analysis of the
reference plant.
· Exploratory
analysis of selected postulated transients and accidents.
Despite the
preliminary character of this work, the investigations performed for the
reference design have demonstrated that RELAP5 is capable to qualitatively
predict the plant behavior under both normal operation and different accidental
conditions. But there are still problems in the prediction of the
thermo-physical properties around the critical point in case of
depres-surization transients.
In this
report, the results obtained in each area will be presented and discussed in
detail. The additional work needed for both further code improvement and
assessment of the final HPLWR-plant design is listed.
Untersuchungen zur Eignung von RELAP5/MOD3 für die
Sicherheitsbewertung eines unter thermodynamisch überkritischen Bedingungen
arbeitenden innovativen Reaktors
Zusammenfassung
Im High Performance Light Water Reactor (HPLWR)
Projekt des 5. Europäischen Rahmen-programms (Contract N° FIKI-CT-2000-00033)
werden die technischen und ökonomischen Vorzüge des mit thermodynamisch überkritischen
Bedingungen und mit hohem Wirkungs-grad arbeitenden Leichtwasserreaktors
untersucht. Von den vielen Konzepten, welche die Tokio Universität entwickelt
hat, wurde der überkritische Leichtwasserreaktor mit hoher
Kühlmittelaustrittstemperatur (SCLWR-H) als Referenzanlage im HPLWR-Projekt
ausge-wählt.
Einer der Schwerpunkte innerhalb des HPLWR-Projekts
ist es, die Eignung des Thermohyd-raulik-Programms RELAP5, welches für
herkömmliche Leichtwasserreaktoren entwickelt wurde, als Analysewerkzeug zur
Sicherheitsbeurteilung der Referenzanlage zu untersuchen. Der Referenzreaktor
wird mit thermodynamisch überkritischem Wasser bei einem Betriebs-druck von 25
MPa gekühlt und moderiert.
Die Analyse solcher Reaktorkonzepte, deren
Betriebsparameter sich sehr von denen her-kömmlicher Leichtwasserreaktoren
unterscheiden, stellt besondere Herausforderungen für LWR-codes dar. Da RELAP5
nicht für die Simulation von mit thermodynamisch überkriti-schen Bedingungen
arbeitenden Reaktoranlagen entwickelt wurde, konzentrieren sich diese
RELAP5-Untersuchungen auf folgende Themenkreise:
· Thermo-physikalische
Eigenschaften von überkritischem Wasser.
· Wärmeübergangsmechanismen
für Wand/überkritisches Wasser und deren Korrelatio-nen.
· Entwicklung
eines vereinfachten Modells der Referenzanlage für die Analyse des stati-onären
Betriebszustandes, von Transienten und Störfällen.
· Vorbereitende
Analysen ausgewählter, postulierter Transienten und Störfälle.
Trotz des vorläufigen Charakters dieser
Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Verhalten der Referenzanlage
sowohl im Normalbetrieb als auch unter Störfallbedingungen von RELAP5
qualitativ gut beschrieben werden kann.
Dennoch traten erhebliche Probleme bei der Simulation
von Transienten mit Druckentlastung wie z. B. Kühlmittelverluststörfälle auf,
welche auf die Berechnung der thermo-physikalischen Eigenschaften von
überkritischem Wasser in der Nähe des kritischen Punktes zurückzufüh-ren sind.
In diesem Bericht werden die erzielten Ergebnisse
vorgestellt und in Detail diskutiert. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden
zusammengefasst und Schlussfolgerungen für die weiterführenden Arbeiten
gezogen.
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