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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