Dinkel, Christian

Frisch, Michael

Rieg, Frank

Roith, Bernd

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Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Berechnung von Transport - und Lagerbehältern für Brennelemente    Herausforderungen bei thermischen und thermo-mechanischen Simulationen Christian Dinkel, M.Sc. Dr.-Ing. Bernd Roith (ENSI) Michael Frisch, M.Sc. Prof. Dr.-Ing Frank Rieg Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD 3D-Konstrukteurstag, Universität Bayreuth 17. September 2014 Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Inhaltsverzeichnis 2 Aufbau von Brennelementbehältern 3 Behälterschutzziele 4 Schutzziel Wärmeabfuhr  5 Thermische Spaltbedingung 13 Wärmeübertragung im Gasspalt 16 Verifizierung der Spaltbedingung 17 Thermische Simulationen 6 Thermo-mechanische Simulationen 12 Zusammenfassung und Ausblick 18 Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Explosionszeichnung und schematische Darstellung Aufbau von Brennelementbehältern 3          Aufbau Transport- und Lagerbehälter1       Schematische Darstellung 1) Bild: Fa. TN International.  www.areva.com [1] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Überblick Behälterschutzziele 4 Schutzziele Beschreibung Wärmeabfuhr Unterkritikalität sichern durch Neutronenabsorption Regelwerke Schweiz  Dichtheit und Integrität Strahlenschutz Kritikalitätssicherheit Einhalten von Dosisleistungsgrenzen an Oberfläche und in 2 m Abstand Einhalten von Grenzwerten bzgl. Aktivitätsfreisetzung  Einhalten von Temperaturen  bzgl. Hüllrohre, Neutronenabsorber und Dichtungen… Richtlinie ENSI-G042: Auslegung und Betrieb von Lagern für radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennelemente  Richtlinie ENSI-G053: Transport- und Lagerbehälter für die Zwischenlagerung 2) Richtlinie ENSI-G04 [2] 3) Richtlinie ENSI-G05 [3] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth  Einsatz von Materialien mit Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit  Kühlrippen an Behälteraußenseite zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche  Einsatz von Helium als Füllgas  Umsetzung durch Design  Anforderungen und Umsetzung Schutzziel Wärmeabfuhr 5  Begrenzung der Temperatur im Lagergut und in Behälterwerkstoffen  Nachweisführung:  Max. Hüllrohrtemperatur bei Brennelementen  An der Innenoberfläche und Außenoberfläche des Behälters  An der Innen- und Außenseite des Moderatormaterials  An den Hauptdichtungen der Behälterabschlüsse  Begrenzung der Temperatur an Behälteroberflächen und in Gebäudeteilen des Zwischenlagers  Grenztemperatur 120 °C an Behälteroberflächen  Grenztemperatur 100 °C an Gebäudeteilen, die in Kontakt mit Behälter stehen  Oder entsprechend eines weiterführenden Nachweises           Anforderungen ENSI-G054  00,050,10,150,20,250,30 200 400Wärmeleitfähigkeit λ  [W/m K] 5 Temperatur T [°C] HeliumLuftx 5,4 4) ENSI-G05 [3] 5) VDI Wärmeatlas [4] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Grundlagen der Modellbildung Thermische Simulationen 6  Große Unterschiede bzgl. Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen  Dünne metallische Körper können großen Einfluss haben Modellbildung6 Beschreibung7  Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen 0,010,111010010000 100 200 300 400 500Wärmeleitfähigkeit  [W/mK] Temperatur [°C] Helium LuftStickstoff Stahl 1.0305Grauguss Aluminium  11006) Koch [5] 7) VDI Wärmeatlas [4] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Grundlagen der Modellbildung Thermische Simulationen 7  Große Unterschiede bzgl. Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen  Dünne metallische Körper können großen Einfluss haben  Wärmeleitfähigkeit ggf. temperaturabhängig definieren  Modellbildung7 Beschreibung8  Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von Gasen 00,050,10,150,20,250,30 200 400Wärmeleitfähigkeit  [W/mK] Temperatur [°C] Helium Luft Stickstoff7) Koch [5] 8) VDI Wärmeatlas [4] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Grundlagen der Modellbildung Thermische Simulationen 8  Große Unterschiede bzgl. Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen  Dünne metallische Körper können großen Einfluss haben  Wärmeleitfähigkeit ggf. temperaturabhängig definieren  Gase und Nichtmetalle können ggf. vernachlässigt werden, wenn sie nicht als Barriere wirken Modellbildung9 Beschreibung  9) Koch [5] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Grundlagen der Modellbildung Thermische Simulationen 9  Große Unterschiede bzgl. Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen  Dünne metallische Körper können großen Einfluss haben  Wärmeleitfähigkeit ggf. temperaturabhängig definieren  Gase und Nichtmetalle können ggf. vernachlässigt werden, wenn sie nicht als Barriere wirken  Gase auch als Solid-Elemente modellierbar Modellbildung10 Beschreibung  Vernetzter Gasspalt aus Solid-Elementen (braun) 10) Koch [5] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Grundlagen der Modellbildung Thermische Simulationen 10  Große Unterschiede bzgl. Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen  Dünne metallische Körper können großen Einfluss haben  Wärmeleitfähigkeit ggf. temperaturabhängig definieren  Gase und Nichtmetalle können ggf. vernachlässigt werden, wenn sie nicht als Barriere wirken  Gase auch als Solid-Elemente modellierbar  Kontaktstellen können großen Einfluss haben  Vernetzungsschwierigkeiten durch dünne Strukturen Modellbildung11 Beschreibung  TragkorbHe-SpaltAußen-behälter11) Koch [5] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Ziele und Ergebnisse Thermische Simulationen 11 1. Ziel Temperatur der Hüllrohre der Brennelemente 2. Ziel Temperaturverteilung im Behälterinneren 3. Ziel Äußere Wärmeabfuhr und Oberflächentemperatur Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Problematik Thermo-mechanische Simulationen 12 Thermische Simulation Mechanische Simulation 3) Neuvernetzung 1) Thermische Modellbildung 2) Thermische Simulation 4) Mechanische Modellbildung 5) Mechanische Simulation  Gasspalt mit großem Einfluss  Steigerung der Rechenzeit durch hohe Elementanzahl  Gasspalt ohne Einfluss  Steigerung der Rechenzeit durch Neuvernetzung Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Kombiniertes Modell Thermische Spaltbedingung  13 Erzeugung eines gemeinsam nutzbaren Modells für thermische und thermo-mechanische Berechnung ohne neuerliche Vernetzung Ziel Kombination aus analytischen und simulativen Verfahren zur Substitution des wichtigsten Gasspalts auf Grundlage von Z88  durch Erzeugung einer thermischen Spaltbedingung Umsetzung Ergebnis + Innenteil Spalt + Außenteil Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Konzept und Etablierung Thermische Spaltbedingung 14 Lösung Innenbehälter  Thermische FE-Analyse des Innenbehälters  Außenbehälter existiert in dieser Simulation nicht Analytische Spaltbetrachtung Konzeptidee: Getrennte FE-Simulation durch thermische Spaltbedingung Lösung Außenbehälter  Knotentemperaturen an Außenfläche des Innenbehälters sind bekannt  Analytische Betrachtung der Wärmeübertragung im unvernetzten Spalt  Ergebnisse aus 2 werden auf Innenseite des Außenbehälters aufgegeben  Thermische FE-Analyse des Außenbehälters und Zusammenführung der thermischen Lösungen  1 2 3    Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Konzept und Etablierung Thermische Spaltbedingung 15 Lösung Innenbehälter  Thermische FE-Analyse des Innenbehälters  Außenbehälter existiert in dieser Simulation nicht Analytische Spaltbetrachtung Konzeptidee: Getrennte FE-Simulation Lösung Außenbehälter  Knotentemperaturen an Außenfläche des Innenbehälters sind bekannt  Analytische Betrachtung der Wärmeübertragung im unvernetztem Spalt  Ergebnisse aus 2 werden auf Innenseite des Außenbehälters aufgegeben  Thermische FE-Analyse des Außenbehälters und Zusammenführung der thermischen Lösungen  1 2 3     Spalt bleibt unvernetzt  FE-Modell kann für thermische und thermo-mechanische Analyse genutzt werden  Rechenzeit wird eingespart Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Analytische Betrachtung Wärmeübertragung im Gasspalt 16       Wärmeübertragung im He-Spalt12 Konvektion Wärmeleitung Wärmestrahlung 𝑄 = 𝐶12𝐴(𝑇14 − 𝑇24) 𝑄 = 𝜆 2𝜋 𝐿 ∙𝑇1 − 𝑇2𝑙𝑛𝑟𝑎𝑟𝑖  𝑄 = 𝛼 𝐴 𝑇1 − 𝑇2  Kennwert    Kennwert    𝑄 𝐺𝑒𝑠 =𝐴 𝜆𝑆𝑡𝑟𝑎ℎ𝑙𝑢𝑛𝑔 + 𝜆𝐿𝐾𝐿 𝑇1 − 𝑇2 12) VDI Wärmeatlas [4] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Untersuchungen Verifizierung der Spaltbedingung 17  Berechnung der Wärmeübertragung nach VDI-Wärmeatlas13  Untersuchung der Strömungsgeschwindigkeiten etwaiger Konvektionsströmungen  Verifizierung durch eigene Messergebnisse Analytische Rechnungen CFD-Simulationen Versuchsaufbau 13) VDI Wärmeatlas [4] Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Zusammenfassung und Ausblick 18  Brennelementbehälter können thermisch und thermo-mechanisch simuliert werden  Simulationen aufgrund von Gasspalten mit kleinen Abmessungen oft sehr aufwendig  Verknüpfung von analytischer Rechnung und Simulation auf Basis von Z88 zur Einsparung von Rechenzeit und zur Vereinfachung der Simulation         Zusammenfassung  Ausarbeitung der thermischen Spaltbedingung  Verknüpfung der inneren und äußeren FE-Simulation  Erarbeitung eines Konvektionssolvers für Z88Aurora       Ausblick Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth 19  Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!  Bitte stellen Sie nun Ihre Fragen… Lehrstuhl für  Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc. 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth Literaturverzeichnis 20 [1] Bild: Fa. TN International.  www.areva.com  [2] Schweizer Eidgenossenschaft: Auslegung und Betrieb von Lagern für radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennelemente. Richtlinie ENSI-G04. 2010  [3] Schweizer Eidgenossenschaft: Transport- und Lagerbehälter für die Zwischenlagerung. Richtlinie ENSI-G05. 2008  [4] Verein Deutscher Ingenieure: VDI Wärmeatlas. 11. Auflage. Springer Verlag. Berlin Heidelberg. 2013.  [5] Koch, F.: FEA in der Sicherheitstechnik. Universität Bayreuth. Bayreuth. 2014.  

Berechnung von Transport- und Lagerbehältern für Brennelemente

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