Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7060
Thermal Hydraulic Analysis of Window Target Unit for LBE
Cooled XADS
N. I. Tak, H.-J. Neitzel, H. Y. Chen, X. Cheng
Abstract
A window target unit for a LBE cooled primary core is one of
the basic options considered in the framework of the Preliminary Design Study
of eXperimental Accelerator Driven System (PDS-XADS). In the present work,
thermal hydraulic analysis has been performed for this option focusing on the
window cooling. At first system analysis has been performed for the entire
target unit using the one-dimensional system code, HERETA. Then Computational
Fluid Dynamics (CFD) analysis has been carried out for lower part of the target
to study the cooling capability of the window. The CFX 5.6 code has been
applied using an advanced turbulence model, called Sheer Stress Transport (SST)
model, combined with the advanced wall treatment available in the new CFX 5
version. The results of the HERETA calculations show that a stable natural
circulation flow, with a steady state flow rate of 192 kg/s, is established. No
temperature peak is observed by a start up procedure with beam ramp having a
period of 200 s. It is found, however, a start up procedure with beam jump has
to be avoided to prevent the overheating of the window. Based on the results of
CFX 5.6 calculations, the window thickness is reduced to 2 mm in the center
from the initial proposal of 3 mm in order to satisfy the thermal design limit.
The maximum temperature change rate of the window under beam trips is predicted
as high as 412 °C/s after 0.1 s of the beam interrupt. It is judged that beam
trips with a beam interrupt duration less than 1 s could also be crucial to the
integrity of the window. Finally, three postulated accidents (i.e., beam
focusing, loss of heat sink, and unexpected beam jump) have been analyzed to
find out the time for the beam to be switched off in order to avoid window
failure. The present results show that window failure occurs in 0.1~0.8 second
after the start of the beam focusing and in about 200 seconds after loss of
heat sink. However, window failure is not expected for a beam jump scenario
during normal operation period with full reactor power.
Thermohydraulische
Analyse der Fenster-Target-Einheit für das PbBi-gekühlte XADS
Zusammenfassung
Eine
Fenster-Target-Einheit für ein Blei-Wismut-gekühltes Primär-System ist eine der
grundlegenden Optionen, welche im Rahmenprogramm der Preliminary Design Study
of eXperimental Accelerator Driven System (PDS-XADS) untersucht wird. In der
vorliegenden Arbeit ist für diese Option eine thermohydraulische Analyse
insbesondere für die Fenster-Kühlung durchgeführt worden. Zunächst wurde eine
System-Analyse für die gesamte Target-Enheit unter Verwendung des
eindimensionalen System-Codes HERETA durchgeführt. Sodann wurde der untere Teil
des Targets einer CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics analysis)
unterzogen, um die Kühlbarkeit des Strahl-Fensters zu studieren. Dabei wurde der
CFX 5.6 Code angewendet - unter Benutzung eines fortgeschrittenen
Turbulenz-Modells, dem so genannten Sheer Stress Transport (SST) Modell,
kombiniert mit den in der neuen CFX 5-Version verfügbaren fortentwickelten
Wand-Funktionen. Die Ergebnisse der HERETA-Rechnungen zeigen, dass sich bei
Einbeziehung einer Start-Prozedur mit einer Strahl-Leistungs-Rampe von 200 s
Dauer eine stabile Natur-Konvektion mit einem Massenstrom von 192 kg/s
einstellt. Mit einer solchen Prozedur ergeben sich keinerlei Temperatur-Überhöhungen.
Es ist außerdem ermittelt worden, dass eine Start-Prozedur mit
Strahl-Leistungs-Sprung vermieden werden muss, damit es zu keiner Überhitzung
des Fensters kommt. Basierend auf CFX 5.6-Rechnungen muss die Wandstärke des
Fensters in der axialen Mitte von den ursprünglich vorgeschlagenen 3 mm auf 2
mm reduziert werden, um die thermische Design-Grenze einzuhalten. Der maximale
Temperaturanstieg im Fenster wurde bei Strahl-Unterbrechungen von 0.1 s Dauer
zu 412 °C/s ermittelt. Es wird erwartet, dass auch Strahl-Unterbrechungen mit
weniger als 1 s Dauer für die Integrität des Fensters kritisch sein könnten.
Schließlich wurden drei angenommene Unfall-Szenarien (z.B. fokussierter Strahl,
Verlust der Wärmesenke und unerwarteter Strahl-Sprung) analysiert, um die Zeit
zu ermitteln, nach der der Strahl abgeschaltet werden muss, um ein Versagen des
Fensters zu vermeiden. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die
entsprechenden Zeiten für ein Fenster-Versagen für zwei Unfall-Szenarien
– fokussierter Strahl und Verlust der Wärmesenke – 0.1 bis 0.8 bzw.
200 Sekunden betragen. Hingegen ist bei einem plötzlichen Strahl-Sprung während
des normalen Betriebes mit voller Reaktor-Leistung kein Fenster-Versagen zu
erwarten.
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