Sicherheitsanalysen sind essenziell für die Entwicklung der Kernenergie, dabei ist die thermohydraulische Analyse bei Betriebsbedingungen und Unfällen (inklusive design-basis accident (DBA) und beyond-design-basis accident (BDBA)) der wichtigste Aspekt. Loss-of-coolant Unfälle (LOCA), d.h. Unfälle bei denen es zum Verlust des Kühlmittels kommt, ist der am meisten auftretende und damit der wichtigste DBA für die nuklearthermische und hydraulische Sicherheitsanalyse. Nach rund einem halben Jahrhundert der Entwicklung hat sich dieses wichtige Forschungsgebiet der thermohydraulischen Sicherheitsanalyse in den letzten zehn Jahren von großen (Large-Break LOCA (LBLOCA)) und kleinen (Small-Break LOCA (LBLOCA)) Leckagen hin zu mittleren Leckagen (intermediate-break LOCA (IBLOCA)) gewandelt. IBLOCA-Szenarios standen im Mittelpunkt experimenteller Studien in der Rig-of-Safety Assessment/Large Scale Test Anlage (ROSA/LSTF), Advanced Thermal-hydraulic Test Loop for Accident simulation (ATLAS) und zuletzt in der PKL (PrimärKreisLauf) Anlage. Anhand des IBLOCA-Testszenarios der LSTF-Anlage wurde festgestellt, dass die Kernerwärmung und maximale Hüllrohrtemperatur (peak cladding temperatures (PCTs)) sehr empfindlich auf die Bruchgröße und den Einsatz von Sicherheitsinjektionen reagieren. Leider konnten die meisten thermohydraulischen Systemcodes (System Thermal-Hydraulic (STH) Codes) diese Prozesse in verschiedenen IBLOCA-Szenarien nicht reproduzieren. Um dieses Problem zu verifizieren und zu lösen, wurde auf den PKL I2.2 IBLOCA-Benchmark als entsprechender Test zurückgegriffen, der dem IBLOCA-Szenario in LSTF ähnelt. Einige typische STH-Codes sollten anhand der Testdaten des PKL I2.2 IBLOCA-Benchmarks bewertet werden.
In dieser Arbeit wurde ATHLET (kurz für Analyses of THermal-hydraulics for LEaks and Transients) für die Simulation des PKL I2.2 IBLOCA-Benchmarks verwendet und es wurde sich auf die Modellbewertung / -modifikation von ATHLET konzentriert. Die Hauptschritte für die Vorbereitung des ATHLET-Eingabedecks, die Simulationsergebnisse - einschließlich stationärer und transiente Zustände - wurden in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Um überzeugende Ergebnisse zu bekommen, wurde eine aktuelle Methodik verwendet: Zunächst wird eine Methode beschrieben und angewendet, die die Diskretisierung bewerten kann, danach wird das Benchmark-Szenario simuliert und schließlich wird eine bekannte Methode, basierend auf der schnellen Fourier Transformation (Fast Fourier Transform Based Method (FFTBM)), zur Bewertung der Wirksamkeit von ATHLET in der PKL I2.2 IBLOCA-Simulation eingeführt. Basierend auf der Analyse der transienten und der FFTBM-Ergebnisse könnte man zunächst zu dem Schluss kommen, dass die meisten Werte im PKL I2.2 IBLOCA-Benchmark von ATHLET sehr gut prognostiziert werden können, womit die Leistungsfähigkeit von ATHLET bei der IBLOCA-Simulation bestätigt wäre. Die maximale Hüllrohrtemperaturwird kann jedoch in der Simulation nicht reproduziert. werden. Laut der Durchschnittsamplitude (AA) der FFTBM-Methode und den Ergebnissen der Sensitivitätsstudie, die auf einer neu entwickelten Methodik (zweischichtige FFTBM - MSM-Kopplungssensitivitätsstudienmethode, MSM bedeutet hier Morris Screening Method) basieren, ist dieser Fehler höchstwahrscheinlich auf die Modellierung des Massenstroms aus der Leckage zurückzuführen.
Infolgedessen wurde ein neues Zweiphasenmodell (Non-Equilibrium und Non-Homogeneous Two Phase Critical Flow Model (NNTPCM)) zur Analyse der zweiphasigen kritischen Leckageströmung als potenzielles Critical Flow Model (CFM) in ATHLET entwickelt. Das Modell ermöglicht ein thermodynamisches Nichtgleichgewicht und ein hydrodynamische Inhomogenität zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase. Die Lösung der sechs Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls und Energie für die getrennten Phasen ermöglicht dieses Modell (das vorhandene ATHLET CFM - Critical Discharge Rate 1 Dimension Model (CDR1D) - ist ein 4-Gleichungsmodell). Das Modell kann die Strömungsformen von unterkühlten bis zu Ring- Strömungen simulieren. Die Schließbedingungen wurden durch eine Reihe von konstitutiven Beziehungen erreicht, die mit Hilfe einer intensiven Literaturrecherche ausgewählt wurden. Zwei Arten von der Durchflussbegrenzung (Determinante und Druckgradient) werden diskutiert. Für das Determinantenkriterium sollte eine Kompatibilitätsbedingung für das System von Gewöhnlichen Differentialgleichungen (ODEs) berücksichtigt werden, die die Zweiphasenströmung beschreiben, um eine Lösung am Drosselpunkt zu erhalten. Um die beiden Kriterien zu testen, wurden sie numerisch für Langrohr-, Kurzrohr- und Düsenentladungen untersucht. Die Ergebnisse, die durch die Verwendung der zwei verschiedenen Kriterien erhalten werden, sind konsistent, solange der Druckgradientenschwellenwert groß genug bleibt. Gleichzeitig ist dieser Wert laut den Ergebnissen für Düsen und kurze Rohre größer, im Vergleich zu langen Rohren. Das Modell wurde durch die experimentellen Daten des Al-Sahan-Tests (Langrohrentladung), Celata-Tests (Düsenentladung), Dobran-Tests (Langrohrentladung), Sozzi-Wutherland-Tests (Kurzrohrentladung) und des Henry-Tests (9 unterkühlte und 10 gesättigte Upstream-Bedingungen) validiert. Im Vergleich zu den gemessenen kritischen Massenflüssen (aber auch mit den Druckprofilen in Al-Sahan- und Henry-Tests) zeigen die Ergebnisse eine hervorragende Übereinstimmung. Verglichen mit anderen Modellen aus der Literatur weisen die hier vorgestellten Ergebnisse die größte Übereinstimmung mit den Versuchsdaten auf. Besonderes Augenmerk wurde auf das Verständnis des Drosselprozesses gelegt, indem die Entwicklung der wichtigsten konstitutiven Parametern analysiert wurden, ein Aspekt, der in früheren Studien selten berücksichtigt wurde. Nach der Analyse der konstitutiven Parameter können einige Schlussfolgerungen gezogen werden: Der Grenzflächenbereich wird am Umschlagspunkt von Blasen- zur Kolbenströmung/Schaumströmung maximal, die virtuelle Massenkraft wird wichtig und manchmal entscheidend für den gedrosselten Fluss, bei langen Rohren spielt das thermodynamische Ungleichgewicht aufgrund der guten Wärmeübertragung zwischen den beiden Phasen eine vernachlässigbare Rolle, jedoch muss die hydrodynamische Inhomogenität berücksichtigt werden, da die Geschwindigkeitsdifferenz am Drosselpunkt sehr groß wird. Umgekehrt dazu kann die hydrodynamische Inhomogenität bei kurzen Rohren vernachlässigt werden und das thermodynamische Ungleichgewicht muss für kurze Rohre oder Düsen, aufgrund der überhitzten Flüssigkeit und der geringen Geschwindigkeitsdifferenz, berücksichtigt werden.
Als möglichen Ersatz für das CDR1D-Modell in ATHLET wurde die Methodik als Plugin für ATHLET ausführlich beschrieben. Um die Wirksamkeit des Modells zu validieren und seine Fähigkeit zu überprüfen das CDR1D-Modells zu ersetzen, wurden mehrere Marviken-Tests für den kritischen Durchfluss in vollem Umfang und der PKL I2.2 IBLOCA-Benchmark für die Modellvalidierung ausgewählt. Das Modell wurde sowohl mit den Testdaten als auch mit den Ergebnissen des in ATHLET integrierten CDR1D-Modells verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass das NNTPCM bessere oder zumindest vergleichbare Ergebnisse als das CDR1D-Modell für die Simulation thermohydraulischer Szenarien in PWRs erzielen kann
