Andreas Schaffrath, Jérémy Bousquet, Daniel Eckert, Norman Dünne, Andreas Wielenberg, Fabian Weyermann Gesellschaft für Anlagen und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH Boltzmannstrasse 14, 85748 Garching bei München Andreas.Schaffrath@grs.de
Jörg Starflinger, Jakub Dariusz Bronik, Michael Buck, Viktoriia Gasanova, Markus Hofer, Rudi Kulenovic, Ruggero Meucci, Matthias Peiretti
Institut für Kernenergetik und Energiesysteme (IKE), Pfaffenwaldring 31, 70569 Stuttgart Joerg.Starflinger@ike.uni-stuttgart.de
Kurzfassung
Micro Modular Reactors (MMRs) werden aktuell in verschiedenen Ländern entwickelt, um z.B. Diesel- generatoren im zivilen sowie militärischen Kontext ersetzen zu können. MMR-Designs sind mit LKWs, Schiffen und Flugzeugen transportierbar und können in wenigen Tagen aufgestellt und in Betrieb genommen sowie abgeschaltet, abgebaut und an andere Orte gebracht werden. Ein Transport z. B. durch deutsches Hoheitsgebiet (z.B. dem Luftraum) bzw. der Betrieb in unmittelbarer Nachbarschaft Deutschlands ist mittelfristig ein plausibles Szenario. Da hierbei Stör- und Unfälle nicht ausgeschlossen werden können, sind Kompetenzen zur Bewertung dieser Designs erforderlich.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert seit 2022 im Verbundvorhaben MISHA die Erweiterung und Validierung und Anwendung von Rechenprogrammen zur Simulation von MMR. Hiermit werden die beiden Projektpartner in die Lage versetzt, eigene unabhängige Sicherheits- analysen zu MMRs durchzuführen sowie deren Sicherheitskonzept und Risiken bei Betrieb und Trans- port zu bewerten.
KEYWORDS
MMR, nationale Rechenkette, Heat Pipes, ATHLET, Kompetenzentwicklung
Einleitung
Mikroreaktoren (englisch Micro (Modular) Reactors oder kurz MMRs) sind eine Untergruppe der Small Modular Reactors (SMRs) mit elektrischen Leistungen kleiner 10 MWel [1]. Diese können sowohl mobil als auch stationär zur Strom- und Wärmeversorgung in entlegenen Gebieten ohne Anbindung an ein Stromnetz bzw. in Katastrophengebieten betrieben werden. MMRs sollen perspektivisch energieinten- sive Technologien ersetzen, die fossile Brennstoffe nutzen und hohe Betriebs- und Logistikkosten haben. Ausgewählte Beispiele für den geplanten Einsatz sind:
- Bruce Power und Westinghouse kooperieren bei der Entwicklung des transportablen MMRs eVinci für die Strom- und Wärmeversorgung von Industrie und Siedlungen im Norden Kanadas [2].
- Die NASA beabsichtigt im Weltraum MMRs zur Strom- und Wärmeproduktion (z.B. in großen Satelliten oder bei Missionen zu anderen Himmelskörpern) zu nutzen [3].
- Das US-Militär plant den Einsatz von MMRs zur Strom- und Wärmeversorgung im Feld und in Katastrophengebieten [4].
Vor diesem Hintergrund werden derzeit MMRs speziell in den USA aber auch in China [5] und Korea
[6] intensiv erforscht und weiterentwickelt. Die Wirtschaftlichkeit von MMRs soll durch Serienproduktion (möglichst mit einer Fertigungsstraße in einer Fabrik) erreicht werden, so dass die Vorteile der Serienproduktion die Nachteile für fehlende Economy of Scale ersetzen können. Durch die zahlreichen und finanzstarken potenziellen Nutzer ist mittelfristig die Realisierung ausgewählter MMR-Konzepte wahrscheinlich.
Kurzbeschreibung der MMR Technologie
Gemäß IAEA [1] sind zwölf der 80 SMR-Designs MMRs, davon sind aber nicht alle transportabel. Der Aufbau der verschiedenen MMR-Designs ist meist ähnlich, typische technische Merkmale sind:
- eine Zykluslänge bis zu 3 Jahren, ein geringes Kerninventar, eine Anreicherung < 20%, ggf. die Verwendung von TRISO-Brennstoff,
- hohe Kernaustrittstemperaturen bis 700 °C, druckloses Kühlmittel (zumeist flüssiges Kalium),
- der passive Wärmetransport mittels Flüssigmetall-gefüllten Heat Pipes oder Thermosiphons, oder auch Naturumlauf mit Helium als Arbeitsmedium
- ein innovatives Turbinenkonzept (Varianten mit Dampf oder Helium oder überkritischem CO2 mit Hilfe des Joule Kreisprozesses mit Luft werden diskutiert),
- passive Nachwärmeabfuhr durch Heat Pipes oder Thermosiphons an die Umgebungsluft.
Zu den zwölf MMRs von der IAEA in [1] aufgeführten MMRs sind nur wenige Daten öffentlich zugänglich. Nachfolgend ist daher exemplarisch der Aufbau eines MMRs am Beispiel des akademischen Konzeptes Special Purpose Reactor (SPR) des Los Alamos National Laboratory (LANL) und Westinghouse [7] beschrieben. Basierend auf dem SPR entwickelte Westinghouse der später den eVinci [8] weiter, folg- lich besitzt der eVinci viele Elemente des SPR. Dieses Design ist zudem transportabel.
Der Kern des SPR besitzt eine thermische Leistung von ca. 5 MW und ist in Bild 1 dargestellt. Er besteht aus einem massiven Edelstahlblock mit 6 Segmenten bestehenden, in denen ca. 2100 Brennstäbe so- wie ca. 1200 Heat Pipes angeordnet sind. Im Zentrum des Stahlmonolithen befindet sich ein zentraler Kanal, für Elemente (hier einem Stab sowie einem Hohlzylinder) zur Notabschaltung. Um den Stahlmo- nolith befindet sich ein Al2O3 Reflektor, in dem sich drehbaren Kontrollelemente (sog. Control Drums) mit Absorbermaterialien für eine Leistungsregelung untergebracht sind. Weiter außen ist der Reflektor von einem der Kernbehälter sowie einer Strahlungsabschirmung umgeben.
Die Heat Pipes sind je ca. 4 m lang und mit Kalium bei leichtem Unterdruck gefüllt. Sie transportieren die Wärme rein passiv und ohne bewegliche Teile aus dem Reaktorkern an einen Primärwärmetauscher (siehe Bild 2), der an einem Wärmekreislauf angeschlossen ist. Es existieren verschiedene Turbinen- konzepte (mit Dampf, Helium oder überkritischem CO2 bzw. mit Hilfe des Luft-Brayton-Cycles). Die Nachwärmeabfuhr erfolgt über einen gesonderten Wärmeübertrager.
Adaption und Validierung der GRS-Rechenkette zur Simulation von MMR
Die grundsätzliche Anwendbarkeit der GRS-Rechenkette auf SMR ist in [10] dargestellt und bewertet worden. Für die Simulation von MMRs sind vor allem die Codes FENNECS (Neutronenkinetik) und AC²/ATHLET (Thermohydraulik) von Bedeutung. FENNECS (Finite ElemeNt NEutroniCS code) ist ein stationärer und zeitabhängiger 3D-Weniggruppen-Neutronenkinetikcode auf der Basis der Finite-Ele- mente-Methode (FEM) für die Transportgleichung in Diffusionsnäherung [11]. Seine geometrische Fle- xibilität ermöglicht die Modellierung komplexer und unregelmäßiger Geometrien von MMRs, kleiner modularer Reaktoren sowie anderen innovativen Reaktorkonzepten. Eine Kopplung zu AC²/ATHLET ist vorhanden. Der Systemcode ATHLET wird im GRS-Programmpaket AC² für die Simulation der Ther- mohydraulik in Kernkraftwerken der Generationen II bis IV sowie SMR entwickelt, validiert und ange- wendet [12]. ATHLET wurde erfolgreich auf wassergefüllte Thermosiphons angewandt [13].
Mit der zuvor kurz beschriebenen Rechenkette können MMR mit Kühlung durch Flüssigmetall-gefüllte Heat Pipe derzeit nicht vollständig simuliert werden, weil spezifische thermohydraulische Modelle spe- ziell für die Heat Pipes fehlen. Folglich sind vor einer (gekoppelten) Anwendung von FENNECS und AC²/ATHLET für Sicherheitsanalysen zunächst umfangreichere Entwicklungs- und Validierungsschritte erforderlich. Diese sind:
- die Erstellung eines 3D-Neutronik-Modells für Analysen mit dem GRS-Code FENNECS und Qua- lifizierung gegen publizierte Referenzdaten (z.B. der frei zugänglichen Designstudie des SPRs)
- Weiterentwicklung von AC²/ATHLET Modellen zur Simulation Kalium-gefüllter Heat Pipes
- Validierung von AC²/ATHLET gegen Experimente sowie Qualifizierung gegen publizierte Refe- renzmessungen für Kalium-gefüllte Heat Pipes (hierbei wird konsequent darauf geachtet, dass die Daten für die Modellentwicklung nicht auch für die Validierung verwendet werden),
- Erweiterung der experimentellen Datenbasis durch Experimente beim IKE Stuttgart (inkl. Ferti- gung der auszumessenden Heat Pipe z. B. mittels im Rahmen des BMBF Vorhabens SIFEKO entwickelter additiver Fertigungsverfahren [14])
- Weiterentwicklung von AC²/ATHLET für CO2 und Luft-basierte Joulekreisläufe als betriebliche Wärmeabnahme zur Stromerzeugung
- Spezifikation eines konsistenten MMR-Modells und Qualifizierung der Rechenkette durch inte- grale Simulationen des Betriebs- und Störfallverhaltens des MMR (beide)
Hinter jedem der zuvor beschrieben Teilschritte verbergen sich wiederum zahlreiche Einzelschritte. Aus Platzgründen werden an dieser Stelle exemplarisch nur die Arbeiten zur
- Weiterentwicklung von AC²/ATHLET für MMR mit Kalium-gefüllten Heat Pipes sowie die
- Erweiterung der experimentellen Datenbasis durch Experimente am IKE Stuttgart
im Detail untersetzt. Die Weiterentwicklung von AC²/ATHLET für MMR mit Kalium-gefüllten Heat Pipes erfordert u. a.
- die Implementierung von Kalium als zweiphasiges Arbeitsmedium in Anlehnung an Natrium mit thermophysikalischen Stoffwerten und Transportgrößen
- die Überprüfung und Verbesserung der in AC²/ATHLET enthaltenen
- Schließungsgleichungen für Verdampfung und Kondensation sowie
- generischer zweiphasiger Druckverlust- und Wärmeübergangskorrelationen für metallische
- die Adaption von Auswahllogiken und Strömungskarten für das Arbeitsmedium Kalium für reprä- sentative Betriebsbedingungen von MMR
- den Einbau und Optimierung spezifischer Wärmeübergangskorrelationen und spezifischer Druck- verluste sowie Auswahllogiken für Kalium-gefüllte Heat Pipes.
- Entwicklung und Einbau eines geeigneten Modells für die Berücksichtigung der Oberflächenstruk- turen insbesondere auf der Innenseite des Heat Pipes
- die Verbesserung von Korrelationen für weitere MMR-Komponenten: Implementierung und Veri- fizierung weiterer MMR-spezifischer Modellverbesserungen aus der Literatur in ATHLET, wie
- B. verbesserte Wärmeübergangskorrelationen für einen stagnierenden Flüssigmetall-Pool, Ma- terialeigenschaften für den Stahlmonolithen und die Heat Pipes, Rückwirkungskoeffizienten für den Al2O3-Reflektor sowie die drehbaren Kontrollelemente (control drums)
- sowie die Validierung und ggf. Optimierung der Modellerweiterungen anhand der neuen Experi- mente des IKE.
Die Erweiterung der experimentellen Datenbasis umfasst u.a.
- das Design sowie die Fertigung der Wärmerohre und den Aufbau und Inbetriebnahme des Ver- suchsstands
- die Durchführung von Experimenten gemäß einer noch zu entwickelnden und mit dem Codean- wender und -validierer abzustimmenden Testmatrix (derzeit sind Versuche mit 3 verschiedenen Heat Pipe Varianten und bei fünf Neigungswinkeln von 0° bis 90° sowie verschiedene Lastzu- ständen (Anfahren, stationärer Teillast, Volllast, Lastwechselrampen, Umschalten von betrieb- licher Kühlung auf Nachwärmeabfuhr geplant))
- Auswertung und Darstellung der Ergebnisse in Quicklook Reports (QLR) und zeitnahe Ver- fügbarmachung der Messdaten im Projekt
- Datenanalyse, Ableitung einer Korrelation zur Charakterisierung von Heat Pipes in Abhängigkeit relevanter Parameter
Forschungsverbund MISHA und sein Beitrag zum Kompetenzerhalt sowie Aufbau
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert seit 2022 das Verbundvorhaben MISHA (Modellierung von Innovativen Micro Modular Reactors mit Kalium Heat Pipes mit der nuklearen Rechenkette der GRS) die Erweiterung und Validierung der nukleare Rechenkette der GRS für diese MMRs. Die beiden Projektpartner (das Institut für Kernenergetik IKE der Universität Stuttgart sowie die Gesellschaft für Anlagen und Reaktorsicherheit GRS gGmbH) sowie andere an dieser Thematik inte- ressierte nationale und internationale Organisationen werden damit in die Lage versetzt, unabhängig eigene Sicherheitsanalysen zu durchzuführen, diese sicherheitstechnisch zu bewerten und Kompeten- zen zu MMRs weiter aufzubauen. Die Arbeiten innerhalb dieses Vorhabens sehen vier Promotionen vor. Die Themenschwerpunkte der einzelnen Doktorarbeiten sowie deren Verzahnung ergeben sich anhand des in Bild 3 dargestellten Netzplans. Im Rahmen des Vorhabens fließen ferner Ergebnisse anderer Forschungsvorhaben (wie z. B. BMBF Vorhabens SIFEKO) ein, die relevant für MISHA sind.
Ergebnisse
Der Forschungsverbund MISHA hat zum Zeitpunkt der Tagung ca. ein Drittel der geplanten Bearbei- tungszeit von 4 Jahren erreicht. Bislang wurden zahlreiche wichtige Teilziele erreicht, auf die im Rahmen der Kerntechnik 2024 in drei Vorträgen sowie drei weiteren Posterpräsentationen im Detail eingegangen wird. Die einzelnen Arbeiten zu MISHA sowie weiteren für MISHA relevanten Arbeiten im Rahmen anderer Vorhaben lassen sich wie folgt übergeordnet zusammenfassen:
- Auf der Basis des SPR wurde eine Designreferenz für das das MISHA-Vorhaben abgeleitet und fehlende Daten abgeschätzt und ergänzt.
- Für das Referenzdesign wurde ein 3D-Neutronik-Modell für Analysen mit dem GRS-Code FENNECS erstellt. Die Reaktivitätskoeffizienten wurden mit dem Programm SERPENT für ver-
schiedene Anlagenzustände (verschiedene Positionen der Control-Drums) bestimmt. Bei aus- rotierten Control-Drums stimmen die Ergebnisse mit der Referenzlösung gut überein, bei ein- rotierten Control-Drums gibt es noch Abweichungen, die derzeit näher untersucht werden [15].
- Für Kalium wurde Stoffwertefunktionen in AC²/ATHLET implementiert und mit der so erweiterten Version von AC²/ATHLET erste Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse Zu- künftig werden die AC²/ATHLET Modelle verbessert, um die Wärmeübertragung sowie die axiale Wärmeleitung in der Flüssigmetallphase sowie die Zweiphasenströmung in den Heat Pipes rea- listischer zu beschreiben. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungsraten unterschätzt werden. Zusätzlich sind noch numerische Probleme zu lösen [16].
- Im Rahmen des BMBF Vorhabens SIFEKO werden Technologien für die additive Fertigung von Kalium-gefüllten Heat Pipes entwickelt. Hiermit können Heat Pipes für MISHA flexibel gestaltet mit komplexen Details hergestellt Erste Muster wurden bereits hergestellt und verschie- denen Tests (u.a. Dichtheits- Quetsch- und Elektronenstrahl Schweißversuche) unterzogen [14].
- Am IKE wird ein Versuchsstand zum Testen der Flüssigmetall-Heat Pipes ausgelegt und aufge- baut. Alle relevanten Betriebsbedingungen sowie geometrischen Anordnungen der Heat Pipes lassen sich simulieren. Die zu testenden Heat Pipe-Prototypen sollen unterschiedliche innere Oberflächen (glatte Oberfläche, mehrlagiges Maschensieb z. T. mit einer Bedeckung mit Rillen) besitzen und unter verschiedenen Randbedingungen (z. B. Temperatur, Kippwinkel, Wärmezu- fuhr ) getestet werden [17]. Der Versuchstand ist modular aufgebaut, so dass nicht nur die 4 m langen Heat Pipes des SPR-Konzeptes, sondern auch kürzere Heat Pipes aus der additiven Fertigung untersucht werden können.
- An der Versuchsanlage SCARLETT (Supercritical CARbon dioxide Loop at IKE StuTTgart) wird eine experimentelle Studie zum kritischen Wärmestrom (CHF) sowie Post-CHF von CO2 durchge- führt. Die Versuche wurden bei reduzierten Drücke größer 0,7, Massenströmen von 250 bis 3000 kg/s und Wärmeströmen von 40 bis 220 kW/m2 durchgeführt. Es wurden Versuche für sog. Filmsieden (DNB) bzw. Austrocknen (LFD) durchgeführt und für beide Phänomene interessante Daten nicht nur für die AC2/ATHLET Modellerweiterung und -validierung aufgenommen [18].
- Der sCO2-Kreislauf wurde in ATHLET abgebildet, wobei der Schwerpunkt auf der genauen Mo- dellierung der Turbomaschinen Die Performance Maps (PM) werden mit bikubischen Spline- Algorithmen approximiert, um die Genauigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus wird ein Realgas- ähnlichkeitsansatz verwendet, um wechselnde thermodynamische Einlassbedingungen zu be- rücksichtigen [19].
Maßnahmen zur Kompetenzentwicklung
Die zuvor beschriebenen Projekte und Arbeiten leisten einen vorbildlichen Beitrag zur Kompetenz- entwicklung von Nachwuchswissenshaftlern/-innen. Die Promovierenden werden bereits heute in die bestehenden Promovierendennetzwerke integriert. Sie besuchen regelmäßg Schulungen und Weiter- bildungsmaßnehmen, so auch die KernTec oder diese Tagung Kerntechnik. Es sind wechselseitige Be- suchswochen vorgesehen. Numeriker sollen vor Ort selbst sehen, wie experimentelle Daten generiert und bearbeitet werden. Andererseits sollen auch Experimentatoren die Nukleare Rechenketten kennen- und anwenden lernen. Ein besonderer Höhepunkt ist das von den Promovierenden selbst organsierte Promovierendenseminar, das jährlich an einem anderen Ort stattfindet. Dieses große Netzwerkevent trägt wesentlich zum fachlichen Austausch der Promovierenden bei und fördert die Vernetzung untereinander.
Zusammenfassung
Der vorliegende Beitrag beschreibt den aktuellen Zwischenstand der Arbeiten des vom Bundesminis- teriums für Bildung und Forschung geförderten Forschungsverbundes MISHA. Ziel des Verbundes ist die Erweiterung und Validierung und Anwendung von Rechenprogrammen zur Simulation von MMR.
Hiermit werden die beiden Projektpartner IKE und GRS in die Lage perspektivisch versetzt, eigene un- abhängige Sicherheitsanalysen zu transportablen, Heat Pipe-gekühlten MMRs durchzuführen sowie deren Sicherheitskonzept und Risiken bei deren Betrieb und Transport zu bewerten. Im Rahmen des Vorhabens sind u.a. vier Promotionen sowie zahlreiche Masterarbeiten geplant. Somit liefert das Vorhaben einen substanziellen Beitrag zum Kompetenzerhalt und -aufbau zu dieser Thematik.
Hinweis
Die hier vorgestellten Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Forschungsvorhabens MISHA (02 NUK 074A/B) gefördert und vom Projektträger Karls- ruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Referenzen
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