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Dr.-Ing. Martin Bruschewski

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martin.bruschewskiuni-rostockde

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MRV4NRS

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Arbeitsplan
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7. Energieforschungsprogramm – Nukleare Sicherheitsforschung: MRV4NRS Magnetic Resonance Velocimetry for Nuclear Reactor Safety

Einsatz der Magnetic Resonance Velocimetry zur Unterstützung der Reaktorsicherheitsforschung und Validierung numerischer Strömungssimulationen

In diesem Vorhaben soll eine neue experimentelle Methode auf Grundlage der Magnetresonanz-Strömungsmesstechnik (Magnetic Resonance Velocimetry, MRV) zur Bestimmung sicherheitsrelevanter Strömungsgrößen in wassergekühlten Kernreaktoren entwickelt und validiert werden. Die MRV soll die Lücke zwischen den herkömmlichen experimentellen Verfahren (exakt, aber aufwendig und nur lokal) und CFD-Simulationen (hochauflösend, aber unsicher) schließen.

Blick in das MRT Labor während der Messung an einem 3 m langen Modell eines Brennstabbündels.
Blick in das MRT Labor während der Messung an einem 3 m langen Modell eines Brennstabbündels.

Motivation

2D Darstellung der Messergebnisse innerhalb eines 3D Messvolumens, die MRV ermöglicht die Erfassung der Geschwindigkeit auch auf Unterkanalebene und innerhalb der Abstandshalter.
2D Darstellung der Messergebnisse innerhalb eines 3D Messvolumens, die MRV ermöglicht die Erfassung der Geschwindigkeit auch auf Unterkanalebene und innerhalb der Abstandshalter.

Mit den herkömmlichen experimentellen Verfahren können nicht alle strömungsphysikalischen Phänomene im Reaktorkern vollständig ermittelt werden. Dazu zählen lokale Mischungsvorgänge auf Brennelement- und Unterkanalebene sowie alle anderen Strömungsbereiche, die nur schwer (optisch) zugänglich sind. Die detaillierte Kenntnis des Strömungs- und Mischungsverhaltens ist jedoch essentiell, um sicherheitsrelevante Größen wie die kritische Wärmestromdichte (Critical Heat Flux, CHF) akkurat bestimmen zu können und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Hier sind bestehende Messmethoden zur Geschwindigkeitsbestimmung insbesondere dadurch limitiert, dass sie nur eindimensionale (Laser Doppler Velocimetry, LDV) oder zweidimensionale (Particle Image Velocimetry, PIV) Ergebnisse liefern.

Zunehmend werden aus diesem Grund auch Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) für die Vorhersage der dreidimensionalen Strömungsstruktur in Kernreaktoren eingesetzt. CFD-Codes enthalten jedoch empirische Modelle zur Simulation von Turbulenzen, Wärmeübertragungen und Mehrphasenwechselwirkungen. Solche Modelle müssen validiert werden, bevor sie für die Bestimmung sicherheitsrelevanter Kenngrößen verwendet werden können.

Mithilfe der MRV können dreidimensionale Strömungsdaten ohne einen optischen Zugang erfasst werden. Die messbaren Größen umfassen zeitlich gemittelte Geschwindigkeitsfelder, statistische Turbulenzgrößen, Temperaturfelder und Mischungskonzentrationen. Die detaillierte Kenntnis dieser strömungsrelevanten Parameter ist essentiell, um sicherheitsrelevante Größen bestimmen zu können.

Ziele

Im Vordergrund steht die Weiterentwicklung von 3D MRV-Methoden zur Bestimmung der zeitlich gemittelten Geschwindigkeitsfelder, der Turbulenzgrößen (Reynolds'scher Spannungstensor) und der Mischungsvorgänge. Zur Validierung dieser Methoden werden offen zugängliche Benchmarks genutzt. Diese werden bei reaktorähnlichen Bedingungen hinsichtlich der Reynoldszahl untersucht, wobei die Strömung jedoch isotherm und einphasig ist. Um aus diesen Daten die Schwächen einer CFD-Simulation präzise identifizieren zu können, werden Methoden entwickelt, um die dreidimensionalen Datensätze der CFD automatisiert mit den MRV-Daten zu vergleichen. Diese Methode soll eine Unterstützung der Sicherheitsstudien wassergekühlter Reaktoren darstellen und es ermöglichen neue Kompetenzen im Bereich der Reaktorsicherheit aufzubauen.

Arbeitsplan

Zunächst wird ein Messkonzept entwickelt und validiert, um relevante Strömungsparameter in reaktorähnlichen Strömungen zu messen. Dazu werden verschiedene MRT-Methoden analysiert und anhand einfacher Benchmarks validiert. Im Fokus stehen dabei die Grenzen der verschiedenen Verfahren, um geeignete Testfälle und Skalierungen für den weiteren Projektverlauf und die spätere Anwendung zu ermitteln. Insbesondere geht es um die dreidimensionale Erfassung des gemittelten Geschwindigkeitsfelds, statistische Turbulenzgrößen und die Darstellung von Mischungsprozessen mittels Konzentrations- oder Temperaturfelder.

Sobald das validierte Messkonzept validiert und die Grenzen der Verfahren bekannt sind, wird ein neues Strömungssystem zur Erzeugung reaktorähnlicher Strömungen konstruiert und in Betrieb genommen. Darin werden bekannte Benchmarks untersucht und die Ergebnisse mit bereits vorhandenen Messdaten abgeglichen werden. Darüber hinaus erfolgt eine detaillierte Beurteilung der Unsicherheiten dieses Verfahrens.

Anschließend werden Methoden zur dreidimensionalen CFD-Validierung mittels der MRV-Messdaten erarbeitet. Dabei stehen insbesondere Verfahren zum automatisierten Abgleich der Messdaten im Vordergrund, da CFD- und MRT-Daten auf vollkommen unterschiedlichen Gitternetzen liegen. Außerdem werden Gütekriterien ermittelt, anhand derer die Übereinstimmung von MRV und CFD quantitativ beziffert werden kann.

Informationen zum Forschungsprojekt

Antragsteller / Bearbeiter S. Grundmann, M. Bruschewski
Laufzeit 2020 - 2023
Finanzierung Bundesministerium für Wirtschaft und Entwicklung (BMWi)