Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007

Der VHTR als Weiterentwicklung des HTR gilt als eines von sechs aussichtsreichen Reaktorkonzepten für Kernkraftwerkte der Generation IV. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein CFD-Modell des HTR-Moduls entwickelt und durch die Simulation eines postulierten Lufteinbruchszenarios die Anwendbarkeit unter Beweis gestellt. Zunächst wird eine Bestandsaufnahme bestehender HTR-Rechenprogramme vorgestellt und die Methodik CFD in ihren Grundzügen erläutert. Anhand der Grundgleichungen werden die zur Berechnung des Störfalls zu modellierenden, HTR-spezifischen Parameter diskutiert, die verwendeten empirischen Korrelationen vorgestellt und die umfangreiche Validierung des entwickelten Modellansatzes zusammengefasst. Anschließend wird die Anwendbarkeit des HTR-Modells auf ein konkretes Lufteinbruchszenario eines HTR-Moduls gezeigt. Dabei werden die einzelnen Phasen des Szenarios anhand der Simulationsergebnisse intensiv diskutiert. Abschließend erfolgt eine Diskussion der Modellunsicherheiten und der numerischen Fehler.

Basierend auf dem Reaktordynamikcode DYN3D für LWR, wurde die Codeversion DYN3D-HTR für das Blockkonzept eines graphit-moderierten, helium-gekühlten Hochtemperaturreaktors entwickelt. Diese Entwicklung umfasst die: • methodische Weiterentwicklung der 3D stationären Neutronenflussberechnung für hexagonale Geometrie (HTR-Brennelement-Blöcke), • Generierung von Wirkungsquerschnittsdaten unter Berücksichtigung der doppelten Heterogenität, • Modellierung der Wärmeleitung und des Wärmetransports in der Graphitmatrix. Die nodale SP3-Neutronentransport-Methode in DYN3D wurde auf hexagonale Brennelementgeometrie erweitert. Es wird eine Unterteilung der Hexagone in Dreiecke vorgenommen, so dass die Verfeinerung hexagonaler Strukturen untersucht werden kann. Die Verifikation erfolgte durch Vergleiche mit Monte-Carlo-Referenzlösungen. Für die Behandlung der doppelten Heterogenität der Brennelementstruktur bei Homogenisierung der Wirkungsquerschnitte wurden neue Methoden entwickelt. Zum einen wurde ein zweistufiges Homogenisierungsverfahren basierend auf der Methode der sog. Reactivity Equivalent Transformation (RPT) weiterentwickelt. Zum anderen ermöglichte die Verfügbarkeit des neuen Monte-Carlo-Codes SERPENT die Anwendung eines einstufigen Verfahrens, wobei die 3D heterogenen Strukturen in einem Rechenschritt konsistent erfasst werden können. Weiterhin wur-de in DYN3D ein 3D Wärmeleitungsmodell implementiert, das den radialen und axialen Wärmetransport in der Graphitmatrix beschreiben kann. DYN3D-HTR wurde schließlich anhand der Testfälle für Reaktivitätstransienten erprobt. Die Verifikation erfolgte durch Vergleich zwischen 3D und 1D Berechnung der Wärmeleitung. Schließlich wurde DYN3D mit dem CFD-Code ANSYS-CFX gekoppelt, um auch dreidimensionale Strömungen in Reaktorkernen berechnen zu können. Der Kern wird als poröser Körper modelliert. Die Kopplung wurde an anhand von 2 Testbeispielen, dem Auswurf eines Steuerstabes und einer lokalen Strömungsblockade in einem Brennelement, erprobt.

Im Rahmen dieser Dissertation werden eine Serie von Grundlagenexperimenten zur Ablagerung (Deposition) und Remobilisierung (Resuspension) von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen beschrieben. Die Kernmotivation stellt die Quelltermanalyse von Druckentlastungsstörfällen von Hochtemperaturreaktoren (HTR) dar. Im Primärkreislauf früherer HTR-Forschungsanlagen wurden größere Mengen an radiologisch belastetem Graphitstaub gefunden. Dieser Staub scheint größtenteils durch Abrieb zwischen den graphitischen Kernstrukturen entstanden zu sein und verteilte sich während des fortlaufenden Reaktorbetriebs über sämtliche Oberflächen des Primärkreislaufs. Während eines Druckentlastungsstörfalls kann dieser Staub durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden. Eine Quelltermanalyse solch eines Störfallszenarios erfordert die Kenntnis über die Menge und die räumliche Verteilung des Staubs, die radiologische Belastung sowie das Remobilisierungsverhalten in Bezug auf die zu erwartenden Strömungstransienten. Nach dem heutigen Stand von Wissenschaft und Technik kann die räumlich-zeitliche Verteilung des Staubs im Primärkreislauf für stationären Reaktorbetrieb unter Verwendung eindimensionaler Systemcodes abgeschätzt werden. Jedoch ist unbekannt, welcher Anteil des Staubinventars durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden würde. Zur systematischen Untersuchung des Staubtransportverhaltens in turbulenten Strömungen wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen entwickelt und eine Serie von Depositions- und Resuspensionsexperimenten durchgeführt. Die partikelbeladene Strömung in der Heißgasumgebung des HTR-Primärkreislaufs wurde über die Verwendung von Ähnlichkeitskennzahlen auf eine Luftströmung bei Umgebungsbedingungen herunterskaliert. Die Strömung und die Partikel wurden mittels hochauflösender, bildgebender und nichtinvasiver Messverfahren räumlich und zeitlich vermessen, um eine umfangreiche Datenbasis für die Analyse der Partikeltransportprozesse zu erstellen. Inhaltlich lassen sich die durchgeführten Untersuchungen in drei Teile gliedern. Der erste Teil besteht aus zwei Studien über die Deposition und Resuspension monodisperser, sphärischer Einzelpartikel in einer ungestörten, horizontalen Kanalströmung. Die systematische Variation experimenteller Randbedingungen wie der Partikelgröße, der Oberflächenrauheit und der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichte die Quantifizierung der einzelnen Einflussgrößen. Im zweiten und dritten Teil der Dissertation wurden die Deposition und Resuspension einer mehrschichtigen Ablagerung (Partikel-Multilayer) zwischen periodischen Stufen und in einer Kugelschüttung untersucht, um die komplexe Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Multilayer-Ablagerung weiter zu erforschen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag für die Quelltermanalyse des Staubtransports im HTR-Primärkreislauf und können für die Weiterentwicklung numerischer Strömungssimulationen des Partikeltransports in turbulenten Strömungen verwendet werden. / Aerosol particle deposition and resuspension experiments in turbulent flows were performed to investigate the complex particle transport phenomena and to provide a database for the development and validation of computational fluid dynamics (CFD) codes. The background motivation is related to the source term analysis of an accidental depressurization scenario of a High Temperature Reactor (HTR). During the operation of former HTR pilot plants, larger amounts of radio-contaminated graphite dust were found in the primary circuit. This dust most likely arose due to abrasion between the graphitic core components and was deposited on the inner wall surfaces of the primary circuit. In case of an accident scenario, such as a depressurization of the primary circuit, the dust may be remobilized and may escape the system boundaries. The estimation of the source term being discharged during such a scenario requires fundamental knowledge of the particle deposition, the amount of contaminants per unit mass as well as the resuspension phenomena. Nowadays, the graphite dust distribution in the primary circuit of an HTR can be calculated for stationary conditions using one-dimensional reactor system codes. However, it is rather unknown which fraction of the graphite dust inventory may be remobilized during a depressurization of the HTR primary circuit. Two small-scale experimental facilities were designed and a set of experiments was performed to investigate particle transport, deposition and resuspension in turbulent flows. The facility design concept is based on the fluid dynamic downscaling of the helium pressure boundary in the HTR primary circuit to an airflow at ambient conditions in the laboratory. The turbulent flow and the particles were recorded by high-resolution, non-invasive imaging techniques to provide a spatio-temporal insight into the particle transport processes. The different investigations of this thesis can be grouped into three categories. Firstly, the deposition and resuspension of monodisperse single particles in a horizontal turbulent channel flow was studied. The systematic variation of the experimental boundary conditions allows for the quantification of the influences of particle size, surface roughness, and fluid velocity. In the second and third part of this thesis, the deposition and resuspension of a particle multilayer between periodic steps and in a pebble bed was studied to explore the complex interaction between the turbulent flow and the particles, respectively. The findings of this thesis are a contribution to the source term analysis of HTR related accidental depressurizations. Furthermore, the database can be applied to CFD code developments for the numerical simulation of particle transport processes in turbulent flows.

Der VHTR als Weiterentwicklung des HTR gilt als eines von sechs aussichtsreichen Reaktorkonzepten für Kernkraftwerkte der Generation IV. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein CFD-Modell des HTR-Moduls entwickelt und durch die Simulation eines postulierten Lufteinbruchszenarios die Anwendbarkeit unter Beweis gestellt. Zunächst wird eine Bestandsaufnahme bestehender HTR-Rechenprogramme vorgestellt und die Methodik CFD in ihren Grundzügen erläutert. Anhand der Grundgleichungen werden die zur Berechnung des Störfalls zu modellierenden, HTR-spezifischen Parameter diskutiert, die verwendeten empirischen Korrelationen vorgestellt und die umfangreiche Validierung des entwickelten Modellansatzes zusammengefasst. Anschließend wird die Anwendbarkeit des HTR-Modells auf ein konkretes Lufteinbruchszenario eines HTR-Moduls gezeigt. Dabei werden die einzelnen Phasen des Szenarios anhand der Simulationsergebnisse intensiv diskutiert. Abschließend erfolgt eine Diskussion der Modellunsicherheiten und der numerischen Fehler.

Im Rahmen dieser Dissertation werden eine Serie von Grundlagenexperimenten zur Ablagerung (Deposition) und Remobilisierung (Resuspension) von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen beschrieben. Die Kernmotivation stellt die Quelltermanalyse von Druckentlastungsstörfällen von Hochtemperaturreaktoren (HTR) dar. Im Primärkreislauf früherer HTR-Forschungsanlagen wurden größere Mengen an radiologisch belastetem Graphitstaub gefunden. Dieser Staub scheint größtenteils durch Abrieb zwischen den graphitischen Kernstrukturen entstanden zu sein und verteilte sich während des fortlaufenden Reaktorbetriebs über sämtliche Oberflächen des Primärkreislaufs. Während eines Druckentlastungsstörfalls kann dieser Staub durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden. Eine Quelltermanalyse solch eines Störfallszenarios erfordert die Kenntnis über die Menge und die räumliche Verteilung des Staubs, die radiologische Belastung sowie das Remobilisierungsverhalten in Bezug auf die zu erwartenden Strömungstransienten. Nach dem heutigen Stand von Wissenschaft und Technik kann die räumlich-zeitliche Verteilung des Staubs im Primärkreislauf für stationären Reaktorbetrieb unter Verwendung eindimensionaler Systemcodes abgeschätzt werden. Jedoch ist unbekannt, welcher Anteil des Staubinventars durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden würde. Zur systematischen Untersuchung des Staubtransportverhaltens in turbulenten Strömungen wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen entwickelt und eine Serie von Depositions- und Resuspensionsexperimenten durchgeführt. Die partikelbeladene Strömung in der Heißgasumgebung des HTR-Primärkreislaufs wurde über die Verwendung von Ähnlichkeitskennzahlen auf eine Luftströmung bei Umgebungsbedingungen herunterskaliert. Die Strömung und die Partikel wurden mittels hochauflösender, bildgebender und nichtinvasiver Messverfahren räumlich und zeitlich vermessen, um eine umfangreiche Datenbasis für die Analyse der Partikeltransportprozesse zu erstellen. Inhaltlich lassen sich die durchgeführten Untersuchungen in drei Teile gliedern. Der erste Teil besteht aus zwei Studien über die Deposition und Resuspension monodisperser, sphärischer Einzelpartikel in einer ungestörten, horizontalen Kanalströmung. Die systematische Variation experimenteller Randbedingungen wie der Partikelgröße, der Oberflächenrauheit und der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichte die Quantifizierung der einzelnen Einflussgrößen. Im zweiten und dritten Teil der Dissertation wurden die Deposition und Resuspension einer mehrschichtigen Ablagerung (Partikel-Multilayer) zwischen periodischen Stufen und in einer Kugelschüttung untersucht, um die komplexe Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Multilayer-Ablagerung weiter zu erforschen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag für die Quelltermanalyse des Staubtransports im HTR-Primärkreislauf und können für die Weiterentwicklung numerischer Strömungssimulationen des Partikeltransports in turbulenten Strömungen verwendet werden.:Kurzfassung III Abstract V Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Grundzüge der Hochtemperaturreaktortechnik 1 1.2 Sicherheitsrelevante Aspekte des Hochtemperaturreaktors 3 1.3 Weiterführende Bedeutung der Ablagerung und Remobilisierung von Aerosolpartikeln 4 1.4 Inhalt der Dissertation 5 2 Strömungsmechanische Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1 Partikeleigenschaften des Graphitstaubs im HTR-Primärkreislauf 8 2.2 Beschreibung wandgebundener, turbulenter Strömungen 9 2.3 Turbulente Strömung durch eine Kugelschüttung 12 2.4 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Strömungen 13 2.5 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension in turbulenten Strömungen 21 3 Versuchsanlagen und Messtechnik 22 3.1 Die Versuchsanlage Gas Particle Loop 22 3.2 Die Versuchsanlage Pebble Bed Loop 24 3.3 Strömungsmechanische Instrumentierung 26 3.4 Aerosolmesstechnische Instrumentierung 28 4 Partikeltransport in einer horizontalen Kanalströmung 30 4.1 Turbulente Durchmischung der Aerosolpartikel und Strömungsentwicklung 30 4.2 Einzelpartikeldeposition 36 4.2.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 38 4.2.3 Datenanalyse 39 4.2.4 Ergebnisse 42 4.2.5 Schlussfolgerungen 44 4.3 Einzelpartikelresuspension 46 4.3.1 Experimenteller Aufbau und Instrumentierung 47 4.3.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 48 4.3.3 Datenanalyse 50 4.3.4 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer glatten Glasoberfläche 52 4.3.5 Resuspension sphärischer Polypropylen-Partikel von einer glatten Glasoberfläche 54 4.3.6 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer rauen Stahloberfläche 56 4.3.7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 57 5 Partikeltransport in einem Kanal mit periodischen Stufen 61 5.1 Auswahl der Testgeometrie 61 5.2 Instrumentierung 62 5.3 Versuchsdurchführung 64 5.4 Turbulentes Strömungsfeld zwischen den periodischen Stufen 65 5.5 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Deposition 67 5.5.1 Orts- und zeitaufgelöste Verteilung des Schichtdickenaufbaus 67 5.5.2 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Multilayer-Ablagerung 74 5.6 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Resuspension 75 5.6.1 Räumliche Verteilung der verbleibenden Partikel-Multilayer 75 5.6.2 Integrale Betrachtung des Resuspensionsvorgangs 79 5.6.3 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Partikel-Multilayer 81 5.7 Schlussfolgerungen 82 6 Partikeltransport in einer Kugelschüttung 84 6.1 Bisherige experimentelle und numerische Untersuchungen 85 6.2 Experimentelle Randbedingungen und Versuchsdurchführung 86 6.3 Charakterisierung der turbulenten Strömung im Kugelhaufen 88 6.4 Positronenemissionstomographie – Messprinzip und Datenauswertung 91 6.5 Deposition von flüssigen Aerosolpartikeln 93 6.5.1 Erzeugung und radioaktive Markierung der flüssigen Aerosolpartikel 93 6.5.2 Partikelkonzentrationsmessungen über der Kugelschüttung 94 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 96 6.5.4 Axiale Verteilung der gemessenen Aktivität 97 6.5.5 Dreidimensionale Verteilung der Aktivität im Kugelhaufen 98 6.6 Deposition und Remobilisierung von technischem Graphitstaub 99 6.6.1 Radioaktive Markierung der Graphitpartikel 99 6.6.2 Konzentrations- und Geschwindigkeitsmessungen 101 6.6.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 103 6.6.4 Räumliche Verteilung der Aktivität in der Kugelschüttung 105 6.6.5 Quantifizierung des Resuspensionsexperiments 107 6.7 Zusammenfassende Schlussfolgerungen 108 7 Diskussion der Ergebnisse 111 7.1 Einzel- und Multilayer-Partikelablagerungen 111 7.2 Einzel- und Multilayer-Partikelresuspension 112 7.3 Vergleich der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen 113 8 Zusammenfassung und Ausblick 117 8.1 Grundlegende Erkenntnisse den experimentellen Studien 118 8.2 Bedeutung der Erkenntnisse für das Fachgebiet und die Sicherheitsbewertung des HTR 120 8.3 Ausblick 122 8.3.1 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Kanalströmungen 122 8.3.2 Einzelpartikel-Resuspension in turbulenten Kanalströmungen 123 8.3.3 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension zwischen periodischen Stufen 124 8.3.4 Untersuchung des Partikeltransports in komplexen Geometrien mittels PET 125 Literaturverzeichnis 127 Appendix 137 Danksagung 139 / Aerosol particle deposition and resuspension experiments in turbulent flows were performed to investigate the complex particle transport phenomena and to provide a database for the development and validation of computational fluid dynamics (CFD) codes. The background motivation is related to the source term analysis of an accidental depressurization scenario of a High Temperature Reactor (HTR). During the operation of former HTR pilot plants, larger amounts of radio-contaminated graphite dust were found in the primary circuit. This dust most likely arose due to abrasion between the graphitic core components and was deposited on the inner wall surfaces of the primary circuit. In case of an accident scenario, such as a depressurization of the primary circuit, the dust may be remobilized and may escape the system boundaries. The estimation of the source term being discharged during such a scenario requires fundamental knowledge of the particle deposition, the amount of contaminants per unit mass as well as the resuspension phenomena. Nowadays, the graphite dust distribution in the primary circuit of an HTR can be calculated for stationary conditions using one-dimensional reactor system codes. However, it is rather unknown which fraction of the graphite dust inventory may be remobilized during a depressurization of the HTR primary circuit. Two small-scale experimental facilities were designed and a set of experiments was performed to investigate particle transport, deposition and resuspension in turbulent flows. The facility design concept is based on the fluid dynamic downscaling of the helium pressure boundary in the HTR primary circuit to an airflow at ambient conditions in the laboratory. The turbulent flow and the particles were recorded by high-resolution, non-invasive imaging techniques to provide a spatio-temporal insight into the particle transport processes. The different investigations of this thesis can be grouped into three categories. Firstly, the deposition and resuspension of monodisperse single particles in a horizontal turbulent channel flow was studied. The systematic variation of the experimental boundary conditions allows for the quantification of the influences of particle size, surface roughness, and fluid velocity. In the second and third part of this thesis, the deposition and resuspension of a particle multilayer between periodic steps and in a pebble bed was studied to explore the complex interaction between the turbulent flow and the particles, respectively. The findings of this thesis are a contribution to the source term analysis of HTR related accidental depressurizations. Furthermore, the database can be applied to CFD code developments for the numerical simulation of particle transport processes in turbulent flows.:Kurzfassung III Abstract V Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Grundzüge der Hochtemperaturreaktortechnik 1 1.2 Sicherheitsrelevante Aspekte des Hochtemperaturreaktors 3 1.3 Weiterführende Bedeutung der Ablagerung und Remobilisierung von Aerosolpartikeln 4 1.4 Inhalt der Dissertation 5 2 Strömungsmechanische Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1 Partikeleigenschaften des Graphitstaubs im HTR-Primärkreislauf 8 2.2 Beschreibung wandgebundener, turbulenter Strömungen 9 2.3 Turbulente Strömung durch eine Kugelschüttung 12 2.4 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Strömungen 13 2.5 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension in turbulenten Strömungen 21 3 Versuchsanlagen und Messtechnik 22 3.1 Die Versuchsanlage Gas Particle Loop 22 3.2 Die Versuchsanlage Pebble Bed Loop 24 3.3 Strömungsmechanische Instrumentierung 26 3.4 Aerosolmesstechnische Instrumentierung 28 4 Partikeltransport in einer horizontalen Kanalströmung 30 4.1 Turbulente Durchmischung der Aerosolpartikel und Strömungsentwicklung 30 4.2 Einzelpartikeldeposition 36 4.2.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 38 4.2.3 Datenanalyse 39 4.2.4 Ergebnisse 42 4.2.5 Schlussfolgerungen 44 4.3 Einzelpartikelresuspension 46 4.3.1 Experimenteller Aufbau und Instrumentierung 47 4.3.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 48 4.3.3 Datenanalyse 50 4.3.4 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer glatten Glasoberfläche 52 4.3.5 Resuspension sphärischer Polypropylen-Partikel von einer glatten Glasoberfläche 54 4.3.6 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer rauen Stahloberfläche 56 4.3.7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 57 5 Partikeltransport in einem Kanal mit periodischen Stufen 61 5.1 Auswahl der Testgeometrie 61 5.2 Instrumentierung 62 5.3 Versuchsdurchführung 64 5.4 Turbulentes Strömungsfeld zwischen den periodischen Stufen 65 5.5 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Deposition 67 5.5.1 Orts- und zeitaufgelöste Verteilung des Schichtdickenaufbaus 67 5.5.2 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Multilayer-Ablagerung 74 5.6 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Resuspension 75 5.6.1 Räumliche Verteilung der verbleibenden Partikel-Multilayer 75 5.6.2 Integrale Betrachtung des Resuspensionsvorgangs 79 5.6.3 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Partikel-Multilayer 81 5.7 Schlussfolgerungen 82 6 Partikeltransport in einer Kugelschüttung 84 6.1 Bisherige experimentelle und numerische Untersuchungen 85 6.2 Experimentelle Randbedingungen und Versuchsdurchführung 86 6.3 Charakterisierung der turbulenten Strömung im Kugelhaufen 88 6.4 Positronenemissionstomographie – Messprinzip und Datenauswertung 91 6.5 Deposition von flüssigen Aerosolpartikeln 93 6.5.1 Erzeugung und radioaktive Markierung der flüssigen Aerosolpartikel 93 6.5.2 Partikelkonzentrationsmessungen über der Kugelschüttung 94 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 96 6.5.4 Axiale Verteilung der gemessenen Aktivität 97 6.5.5 Dreidimensionale Verteilung der Aktivität im Kugelhaufen 98 6.6 Deposition und Remobilisierung von technischem Graphitstaub 99 6.6.1 Radioaktive Markierung der Graphitpartikel 99 6.6.2 Konzentrations- und Geschwindigkeitsmessungen 101 6.6.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 103 6.6.4 Räumliche Verteilung der Aktivität in der Kugelschüttung 105 6.6.5 Quantifizierung des Resuspensionsexperiments 107 6.7 Zusammenfassende Schlussfolgerungen 108 7 Diskussion der Ergebnisse 111 7.1 Einzel- und Multilayer-Partikelablagerungen 111 7.2 Einzel- und Multilayer-Partikelresuspension 112 7.3 Vergleich der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen 113 8 Zusammenfassung und Ausblick 117 8.1 Grundlegende Erkenntnisse den experimentellen Studien 118 8.2 Bedeutung der Erkenntnisse für das Fachgebiet und die Sicherheitsbewertung des HTR 120 8.3 Ausblick 122 8.3.1 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Kanalströmungen 122 8.3.2 Einzelpartikel-Resuspension in turbulenten Kanalströmungen 123 8.3.3 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension zwischen periodischen Stufen 124 8.3.4 Untersuchung des Partikeltransports in komplexen Geometrien mittels PET 125 Literaturverzeichnis 127 Appendix 137 Danksagung 139

Basierend auf dem Reaktordynamikcode DYN3D für LWR, wurde die Codeversion DYN3D-HTR für das Blockkonzept eines graphit-moderierten, helium-gekühlten Hochtemperaturreaktors entwickelt. Diese Entwicklung umfasst die: • methodische Weiterentwicklung der 3D stationären Neutronenflussberechnung für hexagonale Geometrie (HTR-Brennelement-Blöcke), • Generierung von Wirkungsquerschnittsdaten unter Berücksichtigung der doppelten Heterogenität, • Modellierung der Wärmeleitung und des Wärmetransports in der Graphitmatrix. Die nodale SP3-Neutronentransport-Methode in DYN3D wurde auf hexagonale Brennelementgeometrie erweitert. Es wird eine Unterteilung der Hexagone in Dreiecke vorgenommen, so dass die Verfeinerung hexagonaler Strukturen untersucht werden kann. Die Verifikation erfolgte durch Vergleiche mit Monte-Carlo-Referenzlösungen. Für die Behandlung der doppelten Heterogenität der Brennelementstruktur bei Homogenisierung der Wirkungsquerschnitte wurden neue Methoden entwickelt. Zum einen wurde ein zweistufiges Homogenisierungsverfahren basierend auf der Methode der sog. Reactivity Equivalent Transformation (RPT) weiterentwickelt. Zum anderen ermöglichte die Verfügbarkeit des neuen Monte-Carlo-Codes SERPENT die Anwendung eines einstufigen Verfahrens, wobei die 3D heterogenen Strukturen in einem Rechenschritt konsistent erfasst werden können. Weiterhin wur-de in DYN3D ein 3D Wärmeleitungsmodell implementiert, das den radialen und axialen Wärmetransport in der Graphitmatrix beschreiben kann. DYN3D-HTR wurde schließlich anhand der Testfälle für Reaktivitätstransienten erprobt. Die Verifikation erfolgte durch Vergleich zwischen 3D und 1D Berechnung der Wärmeleitung. Schließlich wurde DYN3D mit dem CFD-Code ANSYS-CFX gekoppelt, um auch dreidimensionale Strömungen in Reaktorkernen berechnen zu können. Der Kern wird als poröser Körper modelliert. Die Kopplung wurde an anhand von 2 Testbeispielen, dem Auswurf eines Steuerstabes und einer lokalen Strömungsblockade in einem Brennelement, erprobt.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.