Baumann, W.

Breitung, W.

Dorofeev, S.

Gulden, W.

Kuznetsov, M.

Lelyakin, A.

Necker, G.

Redlinger, R.

Royl, P.

Singh, R.K.

Travis, J.R.

Veser, A.

Singh, R. K.

Travis, J. R.

KITopen

Im standortunabhängigen ITER-Sicherheitsbericht (GSSR) wer-den unter anderem Unfallszenari-en identifiziert und analysiert, diezur Bildung von brennbaren Mi-schungen in Systemkomponen-ten führen [1]. Die sicherheits-technische Bedeutung vonbrennbaren Substanzen liegt da-bei darin, dass ein Verbrennungs-prozess gleichzeitig Tritium sowieradioaktiven Staub mobilisierenund die Integrität der Sicherheits-barrieren gegenüber der Umweltgefährden kann. Bei Unfallse-quenzen mit Lufteinbruch kön-nen sich insbesondere brenn-bare Staub-Luft-Mischungen,Wasserstoff-Luft-Gemische oderKombinationen von beiden bil-den.Ziel der hier an einem Beispielvorgestellten Arbeiten ist die si-cherheitstechnische Bewertungbrennbarer Substanzen im ITERund ihre Beherrschung durch ge-eignete Gegenmaßnahmen. ZumVerständnis der Vorgänge und zurVoraussage von Druck- und Tem-peraturlasten, sowie der struk-turmechanischen Konsequen-zen, wird eine umfassende Analy-semethodik eingesetzt, diezunächst im Rahmen des Pro-gramms NUKLEAR entwickeltund dann auf ITER-typische Fra-gestellungen erweitert wurde [2].Als Beispiel für eine durchgehen-de Unfallanalyse wird hier von ei-nem Bruch in einem Kühlkreislaufaußerhalb des Vakuumgefäßesohne Plasmaabschaltung ausge-gangen (ex-vessel loss-of-coo-lant-accident, LOCA [3]). DiesesEreignis verursacht durch unzu-reichende Kühlung des betreffen-den Abschnitts der Ersten Wandeinen weiteren Bruch mit Freiset-zung von Dampf in das Vakuum-gefäß (Abb. 1). Die Reaktion desDampfes mit heißen Beryllium-oberflächen führt zur Wasserstoff-entstehung, entsprechend derGleichung Be + H2O → BeO + H2.Nachdem der betroffene Kühl-kreislauf ausgedampft ist, strömtLuft über das primäre und sekun-däre Leck in das Vakuumgefäßnach (rechts bzw. links in Abb. 1),wodurch sich brennbare H2-Luft-Dampfgemische bilden können.Im Folgenden wird eine mecha-nistische Analyse dieses Unfallsdargestellt.GemischbildungDie Entwicklung der Gasmi-schungen, die sich bei dem hieruntersuchten Unfallszenario inden verschiedenen ITER-Behäl-tern ansammeln, wurde mit dem3D-Programm GASFLOW be-rechnet [4]. Das Geometriemodellist in Abb. 2 dargestellt. Bei Nor-malbetrieb ist der Vakuumbehäl-ter (VB) vom Druckabbausystem(DAS) und vom Sammelbehälter(SB) getrennt und erst wenn derDifferenzdruck 0,8 bar übersteigt,Unfallanalyse nacheinem Bruch imKühlwasserkreislaufaußerhalb desVakuumgefäßesEinleitung48(48)Analyse des Wasserstoffverhaltens in einem ITER-UnfallszenarioW. Breitung, W. Baumann, S. Dorofeev, M. Kuznetsov, A. Lelyakin, R. Redlinger, P. Royl, R. K. Singh, IKET;J. R. Travis, Fa. DPT, Offenbach; G. Necker, A. Veser, Pro-Science GmbH, Ettlingen; W. Gulden, EFDA Support Unit, GarchingNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 36  1/2004  S. 48-53 Abb. 1: Untersuchtes Unfallszenario im ITER: Bruch einer externen Kühlwas-serleitung im Anlagengebäude (rechts) bewirkt eine lokale Überhitzung undVersagen des Blankets im Vakuumbehälter (links), einströmender Dampf rea-giert mit heißem Be zu Wasserstoff, und der nachfolgende Lufteintritt überbeide Bruchstellen führt zur Bildung von brennbaren H2-Luft-Dampfmischun-gen (sog. ex-vessel loss-of-coolant-accident) [3].PDruckabbausystemVakuumbehälter defekter LoopHXDruckhalterPumpen2 intakte LoopsP>80 kPaP>80 kPaWasserstoff-produktion durch Be-Dampf-ReaktionBlanketAnlagengebäude (1 bar Luft)DivertorSammel-behälteröffnen sich die Ventile in den Ver-bindungsleitungen. Das DAS istzur Aufnahme von Dampf, undder SB zur Aufnahme von Wasserbei Unfällen vorgesehen. DasGeometriemodell besteht ausinsgesamt 23.000 Rechenzellen.In der GASFLOW-Simulationwurde das DAS, das aus einemhorizontal liegenden, halb mitWasser gefüllten Zylinder be-steht, vereinfacht als vertikalerZylinder mit dem gleichen freienGasvolumen abgebildet.Wasserstoff entsteht nur im VBwährend der ersten 2000 s mit ei-ner maximalen Rate von ca.18 g/s und einer Gesamtmengevon 14,2 kg [5]. Luft tritt nach denin [5] durchgeführten Analysendes Kühlwasserkreislaufs etwa10.000 s nach Unfallbeginn inden Vakuumbehälter ein. Nachca. 800 s öffnen sich die Ventile inden beiden Verbindungsleitun-gen, und Dampf und Wasserstoffströmen nun vom VB in den SBund das DAS. Durch Dampfkon-densation im mit kaltem Wasserund wenig Stickstoff gefülltenDruckabbausystem wird ständigWasserstoff mitgerissen, so dasssich am Ende der Simulation fastder gesamte Wasserstoff im DASbefindet. Abb. 3 zeigt die berech-nete zeitliche Entwicklung derGaszusammensetzung im Druck-49(49)Abb. 2: GASFLOW-Geometriemodell zur Berechnung der Gasmi-schungen in den drei ITER-Behältern, die nach Öffnen der Ventile(bei ca. 800 s) miteinander verbunden sind. Insgesamt werden ca.23.000 Rechenzellen in drei zylindrischen Gittern benutzt. Die mitGas gefüllte Rechendomäne ist als gelb gekennzeichnete Quer-schnittsfläche dargestellt [4].Druckabbausystem550 m3(8 x 12 x 10)RechenzellenVakuumbehälter1350 m3(20 x 54 x 20)Ventil(∆p > 0,8 bar)Ventil(∆p > 0,8 bar)Sammelbehälter400 m3(5 x 12 x 10)Abb. 3: Zeitliche Entwicklung der Gasmi-schung im Druckabbausystem (DAS). Dieständige Dampfkondensation im Druckab-bausystem, das ein Reservoir an kaltemWasser enthält, bewirkt eine kontinuierli-che Strömung vom Vakuumbehälter in dasDAS und dort eine Anreicherung der un-kondensierbaren Gase (H2, O2, N2). Am En-de der GASFLOW-Simulation befinden sich14,0 von insgesamt 14,2 kg Wasserstoff imDruckabbausystem. Die Gasmischung istbrennbar, nachdem 5% Sauerstoff über-schritten wurden. Bei 21.000 s liegt eine mitN2 verdünnte, nahezu stöchiometrischeH2-O2-Mischung vor. 0,00,20,40.60,81,00 4000 8000 12000 16000 20000Zeit [s]5% O2StickstoffSauerstoffWasserstoffVolumenanteilabbausystem. Sauerstoff wirddurch den Lufteinbruch etwa ab10.000 s zugeführt [5]. Die H2-N2-O2-Mischung im DAS ist brenn-bar, sobald mehr als 5 % O2 vor-handen sind. Nach etwa 21.000 sherrscht im DAS ein Druck vonca. 0,95 bar bei einer mittlerenGastemperatur von 303 K. DieGasmischungen im Vakuumge-fäß und im Sammelbehälter ent-halten zu wenig Wasserstoff umdie Zündgrenze zu erreichen.Risikopotential der Gas-mischung im Druckabbau-systemAls nächstes stellt sich die Frage,welches Risiko mit einer Zündungder Gasmischung im DAS ver-bunden ist. Die potentiellenDrucklasten werden entschei-dend von der maximal möglichenFlammengeschwindigkeit (FG)bestimmt: Je schneller die Flam-me desto höher sind Druckent-wicklung und potentielle Schä-den. Im Rahmen des ProgrammsNUKLEAR wurden deshalb Krite-rien abgeleitet, die es erlauben,für eine gegebene H2-Luft-Dampf-Mischung sowohl die Möglichkeitfür eine schnelle turbulente Defla-gration (FG ca. 800 m/s) als auchfür den Umschlag in eine Detona-tion (FG ca. 2000 m/s) zu bestim-men. Allerdings gab es bisher kei-ne Daten für die hier im ITER rele-vanten Gasdrücke unter 1 bar.Entscheidend für die Flammen-beschleunigung ist das Expan-sionsverhältnis σ = Dichte desunverbrannten Gases / Dichtedes verbrannten Gases. Die bis-her vorliegende Datenbasis für 1 – 3 bar wurde durch neue Expe-rimente bis auf 0,1 bar erweitert(blaue Symbole in Abb. 4, [6]).Flammenbeschleunigung wurdein diesen Versuchen nur bei Mi-schungen beobachtet, deren Ex-pansionsverhältnis größer als 3,4 ± 0,1 ist. Insgesamt erwiessich die Flammenbeschleuni-gungsgrenze in dem Druckbe-reich von 0,1 bis 3 bar als nahezudruckunabhängig.Das Kriterium für den Übergangzur Detonation enthält die Deto-nationszellgröße λ der Mischungals einen wesentlichen Parame-ter. Auch hier wurden neue Datenfür ITER-relevante Drücke unter-halb von 1 bar bestimmt [7]. Ge-nerell nimmt λ mit abnehmendemDruck zu, was die Möglichkeit fürden Umschlag von einer schnel-len Deflagration in eine Detonati-on mit geringer werdendem An-fangsdruck der Gasmischungvermindert.Die Anwendung der neuen erwei-terten Kriterien auf die hier be-rechneten Gasmischungen imDruckabbausystem (Abb. 3) er-gab, dass diese über viele Stun-den detonationsfähig sind.DetonationssimulationDamit stellt sich als nächstes dieFrage welche Drucklasten bei ei-ner detonativen Verbrennung derGasmischung im Druckabbau-system entstehen würden. DieGasdetonation im DAS wurde mitdem 3D-Programm DET3D mo-delliert, das die Euler-Gleichun-gen der kompressiblen Gasdyna-mik für chemisch reagierendeGase löst [8]. Das DAS wurde alshorizontaler Halbzylinder mit2,9 m Radius und 46 m Längemodelliert, weil die unteren 3 mder horizontal positionierten Röh-re mit Wasser gefüllt sind undnicht an der Gasdetonation teil-nehmen (Abb. 5, x-y-Schnitt). Dieim oberen y-z-Schnitt dargestell-ten Strukturen repräsentieren dasRohrleitungssystem innerhalbdes DAS.Für die Simulation wurden750.000 kubische Rechenzellenvon 10 cm Kantenlänge benutzt.Abb. 5 zeigt die Problemgeome-trie und das berechnete Druck-feld in Form von drei orthogona-len 2D-Schnitten, 20 ms nach50(50)Abb. 4: Zur Bewertung des Risikopoten-tials der berechneten Gasmischungen imDAS wurden Verbrennungsversuche in ge-schlossenen Rohren durchgeführt [6]. Fürspontane Flammenbeschleunigung ist dasExpansionsverhältnis σ der Gasmischungentscheidend. Die bisher für höhereDrücke gefundene Grenze für Flammenbe-schleunigung (σ > 3,4 ± 0,1, rote Symbole)wurde auch für ITER-typische Drücke biszu 0,1 bar experimentell bestätigt (blaueSymbole). Die neu bestimmten Kriterienbesagen, dass die hier berechneten Mi-schungen im DAS detonationsfähig sind(Abb. 3).0.1 1.0 10.02.53.03.54.0, , ,Druck (bar),,,,Expansionsverhältnis σ H2-Luft-Dampf375-383 K Frühere Versuche:ITER-Experimente: langsamlangsamschnellschnellZündung der Mischung am linkenRand. Die Detonationsgeschwin-digkeit beträgt 1960 m/s. Etwa22 ms nach der Zündung erreichtdie Detonationsfront die rechteEndwand des DAS. Die berech-neten Druckverläufe an verschie-denen Positionen auf der End-platte sind in Abb. 6 dargestellt.Sie dienten als Eingabedaten fürden abschließenden Schritt derAnalyse, nämlich die Untersu-chung des Strukturverhaltens derEndplatte, mit dem Ziel, Aussa-gen über die Integrität des DASzu erhalten.StrukturdynamischeModellierung desDruckabbausystemsUm die Auswirkungen der be-rechneten Detonation auf dieEndplatte des DAS zu untersu-chen, wurden zwei verschiedeneModellrechnungen mit dem Pro-gramm ABAQUS durchgeführt. Inder ersten vereinfachten Analysewurde rein elastisches Material-verhalten der 3 cm starken End-platte unterstellt [9]. Jedes Flä-chenelement oberhalb der Was-serlinie wurde mit dem in DET3Dberechneten lokalen Druck-Zeit-Verlauf beaufschlagt, währenddie Flächenelemente unterhalbder Wasserlinie keiner Druckkraftunterlagen. Es kann gezeigt wer-den, dass diese Annahme physi-kalisch gerechtfertigt ist.Mit dem rein elastischen Modell-ansatz erreichen die lokalenSpannungen für fast alle Flächen-elemente Spitzenwerte, die weitüber der elastischen Dehngrenzedes verwendeten Stahls liegen.Für die adäquate Beurteilung desMaterialverhaltens ist deshalb ei-51(51)Abb. 5: 3D-Simulation einer Gasdetonation im Druckabbausystem (DAS) mitdem Programm DET3D [8]. Die Gasmischung entspricht Abb. 3 bei 21.000 s(30% H2, 13% O2, 57% N2), Anfangsdruck 0,96 bar, Anfangstemperatur 30 °C,Druckfeld 20 ms nach Zündung der Mischung am linken Rand, Detonations-geschwindigkeit 1960 m/s. Das Bild zeigt drei orthogonale 2D-Schnitte durchden halb-zylinderförmigen Gasraum im DAS, die hellgrauen Flächen in der y-z-Ebene kennzeichnen Einbauten des DAS.Druck< 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5[bar]15 16,5 <x 29,     y 1,     z 1Y YXXZAbb. 6: Mit DET3D berechnete lokale Überdrücke an Flächenelementen derEndwand des Druckabbausystems (x-y-Ebene in Abb. 5). Diese lokalen trans-ienten Drucklasten dienten als Eingabe für strukturmechanische Analysenmit ABAQUS.05101520253035404520 25 30 35 40 45 50Elementnr.:Zeit [ms]Überdruck [bar]123456789ne transiente inelastische Simu-lation erforderlich. Ergebnisse aus dieser Analysesind in Abb. 7 dargestellt. Die ma-ximalen Spannungen und Deh-nungen werden etwa 14 ms nachAnkunft der Detonationswelle er-reicht, wobei die Endplatte nahe-zu über ihre gesamte Dicke von3 cm in einen plastischen Zu-stand übergeht. Entsprechendden Design-Richtlinien des ITER-Projekts kann damit die Integritätdes Druckabbausystems nichtgewährleistet werden.Das Wasserstoffverhalten imITER wurde am Beispiel einessog. „Ex-vessel-LOCA“-Unfallsdurchgehend analysiert. Ausge-hend von der Problemgeometrieund den vorgegebenen Gasquel-len wurde zunächst die Gemisch-bildung in den verschiedenenITER-Behältern mit dem 3D-Pro-gramm GASFLOW berechnet.Zündfähige Gemische entstehenbei dem hier untersuchten Sze-nario nur im Druckabbausystem.Das Risikopotential dieser Mi-schungen wurde mit neu ermittel-ten Kriterien für schnelle, turbu-lente Verbrennung, bzw. für Deto-nation bei ITER-typischen Drü-cken bewertet. Die im DAS auftretenden Mischungen sinddemnach ausgesprochen deto-nationsfähig. Im nächsten Schrittder Analyse wurde deshalb eineDetonation unterstellt und mitdem 3D-Programm DET3D nu-merisch simuliert. An der höchst-belasteten Endwand des DAStreten kurzzeitig Spitzendrückebis 45 bar auf. Die Auswirkun-gen der komplexen orts- undZusammenfassung52(52)Abb. 7: Mit ABAQUS berechnete maximale Dehnungen und Spannungen inder Endplatte des Druckabbausystems. Diese Maximalwerte werden etwa14 ms nach Ankunft der Detonationswelle erreicht, wobei die plastischen De-formationen nahezu die gesamte Dicke der Endplatte (3 cm) betreffen. Beidiesem Unfallszenario könnte nach den Designrichtlinien des ITER-Projektsdie Integrität des Druckabbausystems nicht gewährleistet werden.+5.743e−02+5.266e−02+4.790e−02+4.313e−02+3.836e−02+3.360e−02+2.883e−02+2.406e−02+1.929e−02+1.453e−02+9.760e−03+4.993e−03+2.257e−04+3.354e+08+2.887e+08+2.420e+08+1.953e+08+1.486e+08+1.019e+08+5.515e+07+8.437e+06−3.827e+07−8.498e+07−1.317e+08−1.784e+08−2.251e+08Spannung [Pa]Dehnung [–]zeitabhängigen Drucklasten aufdas strukturdynamische Verhal-ten der Endplatte wurden mit ABAQUS in einem transienten in-elastischen Modell untersucht.Die berechneten plastischen De-formationen sind so groß, dassnach den Designrichtlinien desITER-Projekts die Integrität desDruckabbausystems bei diesemUnfallszenario nicht gewährleis-tet wäre.Die hier dargestellten Analysenführen zu der Schlussfolgerung,dass bei ITER zusätzliche De-signmaßnahmen ergriffen werdensollten, um das untersuchte Un-fallszenario sicher auszuschlie-ßen. Entsprechende Überlegun-gen wurden im ITER-Projekt auf-genommen.53(53)[1] ITER Generic Safety Report (GSSR),Volume VIII, ITER Garching JWS, G 84 RI 7 01-0706 RI.O (Juli 2001)[2] W. Breitung, P. Royl, Nuclear Eng. Design 202 (2000) 249[3] M. J. Gaeta, B. J. Merrill, H.-W. Bartels, C. R. Laval, L. Topilski, Fusion Technology Vol.32 (1997) 23[4] W. Baumann, W. Breitung, B. Kaup,G. Necker, P. Royl, J. R. Travis, Bericht FZKA 6663 (2001), EFDABericht TW0-TSS-SEA 3.5 / D4[5] Pers. Mitteilung über MELCOR-Rechnungen, ITER-Team Japan, e-mails von H.W. Bartels und L. Topilski, ITER-JCT, Garching (28.2 bzw. 20.4.2001)[6] M. Kuznetsov, V. Alekseev,I. Matsukov, W. Breitung, S. Dorofeev, Bericht FZKA-6811 (2003).[7] A. Gavrikov, A. Lelyakin, W. Breitung,S. Dorofeev, Report EFDA Task TW2-TSS-SEA3.5, Report FZKA 6812 (2003)[8] R. Redlinger, Interner Bericht /IKET-Nr. 1/03, FZK (2003)[9] R. Redlinger, R. K.Singh, Interner Bericht IKET-Nr. 6/03, FZK (2003).  Literatur

Analyse des Wasserstoffverhaltens in einem ITER-Unfallszenario

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/120057450/3814505

Analyse des Wasserstoffverhaltens in einem ITER-Unfallszenario

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