Simulation des Wärme- und Stofftransports in Brennelementen unter den Bedingungen eines ausdampfenden Lagerbeckens

Am 11. März 2011 verursachte ein starkes Erdbeben mit nachfolgendem Tsunami große Schäden im Kernkraftwerk
Fukushima Daiichi in Japan. Dadurch kam es zum Ausfall der Stromversorgung und Versagen der Kühlsysteme für
die in den Lagerbecken gelagerten Brennelemente. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen droht in diesem Fall eine
Überhitzung der Brennelemente und im schlimmsten Fall der Austritt von radioaktivem Material in die Umwelt.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stand die Untersuchung des komplexen Zusammenspiels von
Strömung und Wärmetransport bei solch einem Unfallszenario, das zu teilweise freigelegten Brennelementen führt.
Für die detaillierte Analyse der Vorgänge wurden erstmals dreidimensionale, numerische Strömungssimulationen unter
Berücksichtigung der exakten Geometrie und aller relevanten Wärmetransportmechanismen für ein teilweise freigelegtes
Brennelement durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Karenzzeit bis zum Erreichen
der kritischen Brennstabtemperatur hauptsächlich vom Füllstand und der Leistung der Brennstäbe abhängt. Die
Strömung oberhalb des Brennelements beeinflusst zusätzlich die Wärmeabfuhr. So steigt die Temperatur im Brennelement
bei einer Kombination aus geringer Temperatur, geringem Dampfmassenanteil und hoher Geschwindigkeit der
Querströmung signifikant an. Diese Ergebnisse ermöglichen die Ableitung gezielter Beladungsstrategien von Lagerbecken,
die die voraussichtliche Karenzzeit in der Größenordnung von Stunden verlängern.