Motivation

Die verbesserte Wärmeübertragung während des Strömungssiedens gegenüber einer reinen Konvektion (Wärmeströmung) wird durch die kritische Heizflächenbelastung (Siedekrise) limitiert. Ein Auftreten der Siedekrise bei einer Wasser/Wasserdampfströmung führt in der Regel zu starken Beschädigungen an Anlagenkomponenten und muss im Betrieb (z.B. bei Reaktoren, Kesseln) vermieden werden.  Die bisherigen Methoden der Vorhersage dieses Phänomens beruhen allerdings auf nicht allgemein gültigen Korrelationen. Für die Reaktorsicherheitsforschung wäre es dagegen von großem Nutzen eine auf Lösung der Transportgleichungen für die Zweiphasenströmung beruhende Lösung für Wasser und Dampf zu finden, die eine präzise Vorhersage der Siedekrise ermöglicht. Um die Vorhersage und Zuverlässigkeit solcher allgemeingültiger Simulationscodes zu bewerten, werden in der Versuchsanlage COSMOS-H Versuchsdaten zur Validierung unter reaktortypischen Bedingungen bereitgestellt.

Projekt

Ziel des Projekts ist die Messung der kritischen Heizflächenbelastung (CHF) unter reaktortypischen Bedingungen. Zur Durchführung der Versuche wird die Versuchsanlage COSMOS-H auf dem Gelände des KIT Campus Nord am Institut für Kern- und Energietechnik genutzt.  Diese besteht aus einem Wasserkreislauf mit VE-Wasser an dem eine Teststecke installiert wird. Zusätzlich sind ein primärer und ein sekundärer Kühlkreislauf nachgeschalten. Die Beheizung der Teststrecke bzw. der Heizstäbe erfolgt elektrisch. Der physikalische Parameterbereich der Anlage erstreckt sich  von Drücken bis zu 170 bar, einer maximalen Massenstromdichte von 4.000 kg/(m²s), einer maximalen Eintrittstemperatur des Wassers von 360°C und einer maximalen elektrischen Leistung von 2 x 327 kVA. Die Anlage befindet sich derzeit noch im Aufbau und soll im Jahr 2016 in Betrieb gehen.

Für die Teststrecke der COSMOS-H ist zunächst ein Einzelringspalt geplant, der nach erfolgreicher Versuchsdurchführung auf eine 2x2-Stab-Anordnung aus vier Hüllrohren (Brennstabsimulatoren) erweitert wird. Die Hüllrohre in der Testanordnung werden direkt elektrisch beheizt. An Ihnen wird die kritische Wärmestromdichte beim Eintreten des DNB (Departure of Nucleate Boiling) gemessen. 

    Abbildung: Versuchsanlage COSMOS-H am Campus Nord

    Abbildung: Systemparameter

Der Umfang der Messungen sieht vor, dass neben der Ein- und Austrittstemperatur des Wassers bzw. des Dampfs und der Leistung vor allem der DNB möglichst ortsgenau erfasst wird. Zudem sollen durch Hochgeschwindigkeitsvideographie die Strömungsphänomene im Bereich der Siedekrise optisch erfasst werden. Mit faseroptischen Sensoren, die durch die Zusammenarbeit mit der TU München gebaut werden, sollen lokale Strömungseigenschaften an der Heizstaboberfläche gemessen werden.

Studentische Arbeiten

Für den Aufbau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage COSMOS-H, den Aufbau/Konstruktion der Teststrecke, Entwicklung/Kalibrierung der Messtechnik werden ständig motivierte Studenten gesucht (HiWi, Abschlussarbeiten).