We developed a multiscale approach to explore the effective thermal conductivity of polycrystalline graphene sheets. By performing equilibrium molecular dynamics (EMD) simulations, the grain size effect on the thermal conductivity of ultra-fine grained polycrystalline graphene sheets is investigated. Our results reveal that the ultra-fine grained graphene structures have thermal conductivity one order of magnitude smaller than that of pristine graphene. Based on the information provided by the EMD simulations, we constructed finite element models of polycrystalline graphene sheets to probe the thermal conductivity of samples with larger grain sizes. Using the developed multiscale approach, we also investigated the effects of grain size distribution and thermal conductivity of grains on the effective thermal conductivity of polycrystalline graphene. The proposed multiscale approach on the basis of molecular dynamics and finite element methods could be used to evaluate the effective thermal conductivity of polycrystalline graphene and other 2D structures.

Wegen der zunehmenden Menge an LIBS-Daten von der Marsoberfläche sowie deren speziellen Herausforderungen bei der Analyse untersucht diese Arbeit, wie die Modellierung und Simulation von solchen LIBS-Spektren genutzt werden kann. Das Ziel ist es, Einblicke in die Eigenschaften von LIBS-Plasmen auf dem Mars zu erhalten und Modelle zu entwickeln, die bei der Analyse von realen Missionsdaten helfen können. Die Modellierung basiert sich auf einem stationären Plasma im lokalen thermischen Gleichgewicht (LTE). Das Plasma wird dabei in eine Reihe homogener Zonen unterteilt und Spektren werden mit dem Strahlungstransfer entlang einer eindimensionalen Sichtlinie durch diese Plasmazonen simuliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass auf LTE basierende Modelle gut auf LIBS-Spektren angewendet werden können, die unter Marsbedingungen gemessen wurden. Für zeitaufgelöste Daten kann die Anpassung eines Zwei-Zonen-Modells verwendet werden, um Einblicke in das Plasma zu erhalten und um die Elementkonzentrationen mit einer höheren Genauigkeit zu bestimmen, als es mit der Saha-Boltzmann-Methode möglich wäre. Allerdings sollten Nicht-Gleichgewichtseffekte in den frühesten und spätesten Phasen der Plasmalebensdauer berücksichtigt werden. Für zeitlich integrierte Spektren, wie sie bei aktuellen Marsmissionen gemessen werden, sind Anpassungen durch ein Zwei-Zonen-Modell aufgrund von zu langen Rechenzeiten nicht durchführbar. Stattdessen kann durch die Methode der spektralen Entmischung eine Überlagerung von Spektren unterschiedlicher Temperaturen und Dichten verwendet werden. Diese Methode ermöglicht keine direkten quantitativen Bestimmungen der Elementkonzentrationen, ist aber ein hervorragendes Werkzeug, um einen Überblick über die große Menge an Informationen zu erhalten, die in den Spektren enthalten sind. / Motivated by existing challenges in analysing LIBS spectra and the increasing quantity of Martian LIBS data, this thesis investigates the modelling and simulation of LIBS spectra for the application to LIBS data in Martian atmospheric conditions. This is done with the aim of providing insights into the characteristics of Martian LIBS plasmas as well as developing tools to assist the analysis of real mission data. The modelling of LIBS spectra is based on a stationary plasma in local thermal equilibrium (LTE). The plasma is then divided into a series of homogeneous zones and spectra are simulated using radiative transfer along a one-dimensional line-of-sight through the plasma zones. The results of this thesis show that spectral modelling based on LTE can be well applied to LIBS data in Martian atmospheric conditions. For time-resolved data, fits of a two-zone plasma model can be used to obtain insights into the plasma as well as improved concentration estimates compared to the Saha-Boltzmann plot method. However, attention to non-equilibrium effects should be given at the earliest and latest stages of the plasma lifetime. For time-integrated spectra, i.e. real mission data, fits of the two-zone model are not feasible due to too long computation times. Instead, a superposition of spectra of different temperatures and densities, i.e. the spectral unmixing method, can be used. Although not directly allowing for quantitative concentration estimates, the method is a great tool to overview the large amount of information contained in the spectra.

Die vorliegend Arbeit beinhaltet die Analyse des thermischen Empfinden in offenen Räumen, in der Stadt Torres, RS, durch den Vergleich von Daten, die mit der Anwendung spezifischer Werkzeuge über das Umwelt Verhalten gewonnen wurden. Die Wahl dieser Stadt als Gegenstand der Studie, basiert auf dem zunehmenden Prozeß von Verdichtung und Vertikalisierung seines zentralen Bereiches, im Verlauf der zeitlichen Anwendung der städtebaulich Gesetzgebung. Die Bereiche, die für Analyse ausgewählt wurden, sind drei Plätze, mit unterschiedlichen morphologischen Konfigurationen, wie Höhe und Dichte der Bebauung, die Ausführung der Gebäudeoberflächen und die Vegetation. Die praktische Vorortarbeit wurde im Februar 2006 durchgeführt, mit Bestandsaufnahmen, Messungen der Umweltfaktoren, Ausfüllen der Fragebögen und Beobachtung des Verhaltens. Die Daten über die Umwelt und das menschliche Verhalten wurden verwendet, um den Index des thermischen Komforts zu berechnen. Diese Daten wurden verglichen mit den Daten, die aus den Befragungen der Personen erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die berechneten Indizes nutzbar sind, um den thermischen Komfort von offenen Räumen einzuschätzen. Im Falle von der drei untersuchten Plätze ergab sich ein schlechter Komfort, der auf den Veränderungen der städtischen Bebauung beruht. Die Ergebnisse zeigen auch eine Diskrepanz zwischen den berechneten Indizes und dem Empfinden der Nutzer über die untersuchten Plätze. Es zeigt sich, dass das Mikroklima einen Einfluss auf den thermischen Komfort hat, aber dass auch Faktoren wie physische Anpassung und psychische Zustände wichtig für die unterschiedliche Bewertung des objektiven und subjektiven Komfort sind. / O presente trabalho trata da avaliação de conforto térmico de espaços públicos abertos, na cidade de Torres, RS, através da comparação de índices de conforto térmico com resultados advindos do uso de ferramentas específicas da área ambiente-comportamento. A escolha de Torres, como um estudo de caso, se dá em função do crescente processo de verticalização e densificação de sua área central, decorrentes da aplicação dos dispositivos legais das sucessivas legislações urbanísticas. As áreas escolhidas para análise são três praças, em zonas com diferentes configurações morfológicas, selecionadas em função de variáveis da forma urbana, como a altura e a densidade das edificações, a natureza das superfícies de revestimento e a presença de vegetação. Durante o mês de fevereiro de 2006 foi realizado trabalho de campo, nos três locais, através da aplicação de questionários, observações de comportamento e levantamentos físicos, incluindo medições de variáveis ambientais. Os dados sobre variáveis ambientais e humanas, coletados, foram utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para espaços externos. Os valores calculados para estes índices, foram comparados com os dados provenientes da percepção dos usuários. Os resultados mostram a adequação de determinados índices para a avaliação de conforto térmico de espaços abertos, revelando condições de desconforto nas três praças investigadas, decorrentes das modificações da forma urbana nestas áreas. Os resultados também apontam uma discrepância entre os parâmetros indicados pelos índices e os níveis de agradabilidade e percepção dos usuários, em relação às praças. Observou-se que os parâmetros do microclima possuem alguma influência no conforto térmico, mas fatores de adaptação fisiológica e psicológica podem ser responsáveis pelas diferenças entre a avaliação de conforto objetiva e a subjetiva. / The present work deals with the evaluation of thermal comfort of open public spaces, in the city of Torres, RS, through the comparison of thermal comfort indices with results obtained from the use of specific methods from the environmental behavior area of studies. The choice of Torres, as a case study, is due to the increasing process of verticalization and densification of its central area, originated from the application of successive urban legislation. The areas chosen for analysis are three squares, in zones with different morphologic configurations, selected according to urban form variables such as building height and density, nature of the covering surfaces and the presence of vegetation. During February 2006, the fieldwork was carried out in the three places, through questionnaires, behavior observations, and physical measurements, including measurements of environmental variables. Data about environmental and human variables were used to calculate thermal comfort indices for outdoor spaces. These indices were compared with the data from users perceptions. The results show the adequacy of some indices for the evaluation of thermal comfort of open spaces, revealing conditions of thermal discomfort in the three investigated squares, as a consequence of urban form modifications in these areas. The results also reveal a discrepancy between the parameters indicated by the indices and the levels of users perception and pleasantness in relation to the squares. It is observed that the microclimate parameters have some influence on thermal comfort, but that the psychological and the physiological adaptation factors can be responsible for the differences between the objective evaluation of comfort and the subjective one.

Die vorliegend Arbeit beinhaltet die Analyse des thermischen Empfinden in offenen Räumen, in der Stadt Torres, RS, durch den Vergleich von Daten, die mit der Anwendung spezifischer Werkzeuge über das Umwelt Verhalten gewonnen wurden. Die Wahl dieser Stadt als Gegenstand der Studie, basiert auf dem zunehmenden Prozeß von Verdichtung und Vertikalisierung seines zentralen Bereiches, im Verlauf der zeitlichen Anwendung der städtebaulich Gesetzgebung. Die Bereiche, die für Analyse ausgewählt wurden, sind drei Plätze, mit unterschiedlichen morphologischen Konfigurationen, wie Höhe und Dichte der Bebauung, die Ausführung der Gebäudeoberflächen und die Vegetation. Die praktische Vorortarbeit wurde im Februar 2006 durchgeführt, mit Bestandsaufnahmen, Messungen der Umweltfaktoren, Ausfüllen der Fragebögen und Beobachtung des Verhaltens. Die Daten über die Umwelt und das menschliche Verhalten wurden verwendet, um den Index des thermischen Komforts zu berechnen. Diese Daten wurden verglichen mit den Daten, die aus den Befragungen der Personen erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die berechneten Indizes nutzbar sind, um den thermischen Komfort von offenen Räumen einzuschätzen. Im Falle von der drei untersuchten Plätze ergab sich ein schlechter Komfort, der auf den Veränderungen der städtischen Bebauung beruht. Die Ergebnisse zeigen auch eine Diskrepanz zwischen den berechneten Indizes und dem Empfinden der Nutzer über die untersuchten Plätze. Es zeigt sich, dass das Mikroklima einen Einfluss auf den thermischen Komfort hat, aber dass auch Faktoren wie physische Anpassung und psychische Zustände wichtig für die unterschiedliche Bewertung des objektiven und subjektiven Komfort sind. / O presente trabalho trata da avaliação de conforto térmico de espaços públicos abertos, na cidade de Torres, RS, através da comparação de índices de conforto térmico com resultados advindos do uso de ferramentas específicas da área ambiente-comportamento. A escolha de Torres, como um estudo de caso, se dá em função do crescente processo de verticalização e densificação de sua área central, decorrentes da aplicação dos dispositivos legais das sucessivas legislações urbanísticas. As áreas escolhidas para análise são três praças, em zonas com diferentes configurações morfológicas, selecionadas em função de variáveis da forma urbana, como a altura e a densidade das edificações, a natureza das superfícies de revestimento e a presença de vegetação. Durante o mês de fevereiro de 2006 foi realizado trabalho de campo, nos três locais, através da aplicação de questionários, observações de comportamento e levantamentos físicos, incluindo medições de variáveis ambientais. Os dados sobre variáveis ambientais e humanas, coletados, foram utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para espaços externos. Os valores calculados para estes índices, foram comparados com os dados provenientes da percepção dos usuários. Os resultados mostram a adequação de determinados índices para a avaliação de conforto térmico de espaços abertos, revelando condições de desconforto nas três praças investigadas, decorrentes das modificações da forma urbana nestas áreas. Os resultados também apontam uma discrepância entre os parâmetros indicados pelos índices e os níveis de agradabilidade e percepção dos usuários, em relação às praças. Observou-se que os parâmetros do microclima possuem alguma influência no conforto térmico, mas fatores de adaptação fisiológica e psicológica podem ser responsáveis pelas diferenças entre a avaliação de conforto objetiva e a subjetiva. / The present work deals with the evaluation of thermal comfort of open public spaces, in the city of Torres, RS, through the comparison of thermal comfort indices with results obtained from the use of specific methods from the environmental behavior area of studies. The choice of Torres, as a case study, is due to the increasing process of verticalization and densification of its central area, originated from the application of successive urban legislation. The areas chosen for analysis are three squares, in zones with different morphologic configurations, selected according to urban form variables such as building height and density, nature of the covering surfaces and the presence of vegetation. During February 2006, the fieldwork was carried out in the three places, through questionnaires, behavior observations, and physical measurements, including measurements of environmental variables. Data about environmental and human variables were used to calculate thermal comfort indices for outdoor spaces. These indices were compared with the data from users perceptions. The results show the adequacy of some indices for the evaluation of thermal comfort of open spaces, revealing conditions of thermal discomfort in the three investigated squares, as a consequence of urban form modifications in these areas. The results also reveal a discrepancy between the parameters indicated by the indices and the levels of users perception and pleasantness in relation to the squares. It is observed that the microclimate parameters have some influence on thermal comfort, but that the psychological and the physiological adaptation factors can be responsible for the differences between the objective evaluation of comfort and the subjective one.

Die vorliegend Arbeit beinhaltet die Analyse des thermischen Empfinden in offenen Räumen, in der Stadt Torres, RS, durch den Vergleich von Daten, die mit der Anwendung spezifischer Werkzeuge über das Umwelt Verhalten gewonnen wurden. Die Wahl dieser Stadt als Gegenstand der Studie, basiert auf dem zunehmenden Prozeß von Verdichtung und Vertikalisierung seines zentralen Bereiches, im Verlauf der zeitlichen Anwendung der städtebaulich Gesetzgebung. Die Bereiche, die für Analyse ausgewählt wurden, sind drei Plätze, mit unterschiedlichen morphologischen Konfigurationen, wie Höhe und Dichte der Bebauung, die Ausführung der Gebäudeoberflächen und die Vegetation. Die praktische Vorortarbeit wurde im Februar 2006 durchgeführt, mit Bestandsaufnahmen, Messungen der Umweltfaktoren, Ausfüllen der Fragebögen und Beobachtung des Verhaltens. Die Daten über die Umwelt und das menschliche Verhalten wurden verwendet, um den Index des thermischen Komforts zu berechnen. Diese Daten wurden verglichen mit den Daten, die aus den Befragungen der Personen erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die berechneten Indizes nutzbar sind, um den thermischen Komfort von offenen Räumen einzuschätzen. Im Falle von der drei untersuchten Plätze ergab sich ein schlechter Komfort, der auf den Veränderungen der städtischen Bebauung beruht. Die Ergebnisse zeigen auch eine Diskrepanz zwischen den berechneten Indizes und dem Empfinden der Nutzer über die untersuchten Plätze. Es zeigt sich, dass das Mikroklima einen Einfluss auf den thermischen Komfort hat, aber dass auch Faktoren wie physische Anpassung und psychische Zustände wichtig für die unterschiedliche Bewertung des objektiven und subjektiven Komfort sind. / O presente trabalho trata da avaliação de conforto térmico de espaços públicos abertos, na cidade de Torres, RS, através da comparação de índices de conforto térmico com resultados advindos do uso de ferramentas específicas da área ambiente-comportamento. A escolha de Torres, como um estudo de caso, se dá em função do crescente processo de verticalização e densificação de sua área central, decorrentes da aplicação dos dispositivos legais das sucessivas legislações urbanísticas. As áreas escolhidas para análise são três praças, em zonas com diferentes configurações morfológicas, selecionadas em função de variáveis da forma urbana, como a altura e a densidade das edificações, a natureza das superfícies de revestimento e a presença de vegetação. Durante o mês de fevereiro de 2006 foi realizado trabalho de campo, nos três locais, através da aplicação de questionários, observações de comportamento e levantamentos físicos, incluindo medições de variáveis ambientais. Os dados sobre variáveis ambientais e humanas, coletados, foram utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para espaços externos. Os valores calculados para estes índices, foram comparados com os dados provenientes da percepção dos usuários. Os resultados mostram a adequação de determinados índices para a avaliação de conforto térmico de espaços abertos, revelando condições de desconforto nas três praças investigadas, decorrentes das modificações da forma urbana nestas áreas. Os resultados também apontam uma discrepância entre os parâmetros indicados pelos índices e os níveis de agradabilidade e percepção dos usuários, em relação às praças. Observou-se que os parâmetros do microclima possuem alguma influência no conforto térmico, mas fatores de adaptação fisiológica e psicológica podem ser responsáveis pelas diferenças entre a avaliação de conforto objetiva e a subjetiva. / The present work deals with the evaluation of thermal comfort of open public spaces, in the city of Torres, RS, through the comparison of thermal comfort indices with results obtained from the use of specific methods from the environmental behavior area of studies. The choice of Torres, as a case study, is due to the increasing process of verticalization and densification of its central area, originated from the application of successive urban legislation. The areas chosen for analysis are three squares, in zones with different morphologic configurations, selected according to urban form variables such as building height and density, nature of the covering surfaces and the presence of vegetation. During February 2006, the fieldwork was carried out in the three places, through questionnaires, behavior observations, and physical measurements, including measurements of environmental variables. Data about environmental and human variables were used to calculate thermal comfort indices for outdoor spaces. These indices were compared with the data from users perceptions. The results show the adequacy of some indices for the evaluation of thermal comfort of open spaces, revealing conditions of thermal discomfort in the three investigated squares, as a consequence of urban form modifications in these areas. The results also reveal a discrepancy between the parameters indicated by the indices and the levels of users perception and pleasantness in relation to the squares. It is observed that the microclimate parameters have some influence on thermal comfort, but that the psychological and the physiological adaptation factors can be responsible for the differences between the objective evaluation of comfort and the subjective one.

Considering the late in-vessel phase of an unlikely core melt down scenario in a light water reactor (LWR) with the formation of a corium pool in the lower head of the reactor pressure vessel (RPV) the possible failure modes of the RPV and the time to failure have to be investigated to assess the possible loadings on the containment. In this work, an integral model was developed to describe the processes in the lower plenum of the RPV. Two principal model domains have to be distinguished: The tem-perature field within the melt and RPV is calculated with a thermodynamic model, while a mechanical model is used for the structural analysis of the vessel wall. In the introducing chapters a description is given of the considered accident scenario and the relevant analytical, experimental, and numerical investigations are discussed which were performed worldwide during the last three decades. Following, the occurring physical phenomena are analysed and the scaling differences are evaluated between the FOREVER-experiments and a prototypical scenario. The thermodynamic and the mechanical model can be coupled recursively to take into account the mutual influence. This approach not only allows to consider the temperature dependence of the material parameters and the thermally induced stress in the mechanical model, it also takes into account the response of the temperature field itself upon the changing vessel geometry. New approaches are applied in this work for the simulation of creep and damage. Using a creep data base, the application of single creep laws could be avoided which is especially advantageous if large temperature, stress, and strain ranges have to be covered. Based on experimental investigations, the creep data base has been developed for an RPV-steel and has been validated against creep tests with different scalings and geometries. It can be stated, that the coupled model is able to exactly describe and predict the vessel deformation in the scaled integral FOREVER-tests. There are uncertainties concerning the time to failure which are related to inexactly known material parameters and boundary conditions. The main results of this work can be summarised as follows: Due to the thermody-namic behaviour of the large melt pool with internal heat sources, the upper third of the lower RPV head is exposed to the highest thermo-mechanical loads. This region is called hot focus. Contrary to that, the pole part of the lower head has a higher strength and therefore relocates almost vertically downwards under the combined thermal, weight and internal pressure load of the RPV. On the one hand, it will be possible by external flooding to retain the corium within the RPV even at increased pressures and even in reactors with high power (as e.g. KONVOI). On the other hand, there is no chance for melt retention in the considered scenario if neither internal nor external flooding of the RPV can be achieved. Two patents have been derived from the gained insights. Both are related to passively working devices for accident mitigation: The first one is a support of the RPV lower head pole part. It reduces the maximum mechanical load in the highly stressed area of the hot focus. In this way, it can prevent failure or at least extend the time to failure of the vessel. The second device implements a passive accident mitigation measure by making use of the downward movement of the lower head. Through this, a valve or a flap can be opened to flood the reactor pit with water from a storage reservoir located at a higher position in the reactor building. With regard to future plant designs it can be stated - differing from former presumptions - that an In-Vessel-Retention (IVR) of a molten core is possible within the reactor pressure vessel even for reactors with higher power. / Für das unwahrscheinliche Szenario eines Kernschmelzunfalls in einem Leichtwasserreaktor mit Bildung eines Schmelzesees in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters (RDB) ist es notwendig, mögliche Versagensformen des RDB sowie Versagenszeiträume zu ermitteln, um die daraus resultierende mögliche Belastung des Sicherheitsbehälters bestimmen zu können. In dieser Arbeit wird ein integrales Modell entwickelt, das die Vorgänge im unteren Plenum beschreibt. Dabei sind zwei prinzipielle Modellbereiche zu unterscheiden: Das Temperaturfeld in der Schmelze und im RDB wird mit einem thermodynamischen Modell berechnet, während für die Strukturanalyse des RDB ein mechanisches Modell verwendet wird. Zunächst werden das betrachtete Unfallszenario dargestellt und die bisher in den letzten drei Dekaden weltweit durchgeführten wesentlichen analytischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen diskutiert. Anschließend werden die auftretenden physikalischen Vorgänge analysiert. Gleichzeitig werden Skalierungsunterschiede zwischen den in dieser Arbeit betrachteten Experimenten der FOREVER-Reihe und einem prototypischen Szenario herausgearbeitet. Das thermodynamische und das mechanische Modell können rekursiv gekoppelt werden, wodurch die wechselseitige Beeinflussung berücksichtigt werden kann. Insbesondere werden damit neben der Temperaturabhängigkeit der Materialparameter und den thermisch induzierten Spannungen im mechanischen Modell auch die Rückwirkungen der Behälterverformung auf das Temperaturfeld selber erfasst. Für die Kriech- und Schädigungssimulation werden in dieser Arbeit neue Verfahren angewendet. Durch die Entwicklung und den Einsatz einer Kriechdatenbasis konnte die bei sehr unterschiedlichen Temperaturen, Spannungen und Dehnungen ungeeignete Verwendung einzelner Kriechgesetze umgangen werden. Aufbauend auf experimentellen Untersuchungen wurde eine Kriechdatenbasis für einen RDB-Stahl entwickelt und an Hand von Kriechversuchen verschiedener Geometrie und Dimension validiert. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass das gekoppelte Modell prinzipiell in der Lage ist, die Behälterdeformation im Falle der skalierten FOREVER-Experimente exakt zu beschreiben bzw. vorherzusagen. Unsicherheiten bezüglich der Versagenszeit resultieren aus nicht exakt bekannten Materialparametern und Randbedingungen. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Aufgrund des thermodynamischen Verhaltens eines großen Schmelzesees mit inneren Wärmequellen erfolgt die höchste thermomechanische Belastung des RDB im oberen Drittel der Bodenkalotte. Dieser Bereich wird als heißer Fokus bezeichnet. Der untere Bereich der Kalotte weist hingegen eine höhere Festigkeit auf und verlagert sich deswegen bei entsprechender Belastung des RDB im wesentlichen senkrecht nach unten. Bei einer externen Flutung besteht auch bei hohen Innendrücken für einen Reaktor großer Leistung (KONVOI) die Möglichkeit, die Schmelze im RDB zurückzuhalten. Ohne interne oder externe Flutung besteht für das betrachtete Szenario keine Aussicht für eine Schmelzerückhaltung im RDB. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden zwei Patente abgeleitet. Dabei handelt es sich um passiv wirkende Einrichtungen zur Schadensbegrenzung: Die erste reduziert durch Abstützen des unteren Kalottenzentrums die Maximalspannungen im hochbeanspruchten Bereich des heißen Fokus und kann damit ein Versagen verhindern oder zumindest verzögern. Die zweite Einrichtung ermöglicht die passive Auslösung einer Flutung, indem die Abwärtsbewegung der Kalotte zur Steuerung genutzt wird. Hierdurch kann beispielsweise ein Ventil geöffnet werden, um Wasser aus im Gebäude höher angeordneten Reservoirs in die Reaktorgrube zu leiten. Abweichend von bisherigen Annahmen kann im Hinblick auf die Entwicklung zukünftiger Baulinien festgehalten werden, dass eine Kernschmelzerückhaltung im Reaktordruckbehälter auch für Reaktoren größerer Leistung möglich ist.

Considering the late in-vessel phase of an unlikely core melt down scenario in a light water reactor (LWR) with the formation of a corium pool in the lower head of the reactor pressure vessel (RPV) the possible failure modes of the RPV and the time to failure have to be investigated to assess the possible loadings on the containment. In this work, an integral model was developed to describe the processes in the lower plenum of the RPV. Two principal model domains have to be distinguished: The tem-perature field within the melt and RPV is calculated with a thermodynamic model, while a mechanical model is used for the structural analysis of the vessel wall. In the introducing chapters a description is given of the considered accident scenario and the relevant analytical, experimental, and numerical investigations are discussed which were performed worldwide during the last three decades. Following, the occurring physical phenomena are analysed and the scaling differences are evaluated between the FOREVER-experiments and a prototypical scenario. The thermodynamic and the mechanical model can be coupled recursively to take into account the mutual influence. This approach not only allows to consider the temperature dependence of the material parameters and the thermally induced stress in the mechanical model, it also takes into account the response of the temperature field itself upon the changing vessel geometry. New approaches are applied in this work for the simulation of creep and damage. Using a creep data base, the application of single creep laws could be avoided which is especially advantageous if large temperature, stress, and strain ranges have to be covered. Based on experimental investigations, the creep data base has been developed for an RPV-steel and has been validated against creep tests with different scalings and geometries. It can be stated, that the coupled model is able to exactly describe and predict the vessel deformation in the scaled integral FOREVER-tests. There are uncertainties concerning the time to failure which are related to inexactly known material parameters and boundary conditions. The main results of this work can be summarised as follows: Due to the thermody-namic behaviour of the large melt pool with internal heat sources, the upper third of the lower RPV head is exposed to the highest thermo-mechanical loads. This region is called hot focus. Contrary to that, the pole part of the lower head has a higher strength and therefore relocates almost vertically downwards under the combined thermal, weight and internal pressure load of the RPV. On the one hand, it will be possible by external flooding to retain the corium within the RPV even at increased pressures and even in reactors with high power (as e.g. KONVOI). On the other hand, there is no chance for melt retention in the considered scenario if neither internal nor external flooding of the RPV can be achieved. Two patents have been derived from the gained insights. Both are related to passively working devices for accident mitigation: The first one is a support of the RPV lower head pole part. It reduces the maximum mechanical load in the highly stressed area of the hot focus. In this way, it can prevent failure or at least extend the time to failure of the vessel. The second device implements a passive accident mitigation measure by making use of the downward movement of the lower head. Through this, a valve or a flap can be opened to flood the reactor pit with water from a storage reservoir located at a higher position in the reactor building. With regard to future plant designs it can be stated - differing from former presumptions - that an In-Vessel-Retention (IVR) of a molten core is possible within the reactor pressure vessel even for reactors with higher power. / Für das unwahrscheinliche Szenario eines Kernschmelzunfalls in einem Leichtwasserreaktor mit Bildung eines Schmelzesees in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters (RDB) ist es notwendig, mögliche Versagensformen des RDB sowie Versagenszeiträume zu ermitteln, um die daraus resultierende mögliche Belastung des Sicherheitsbehälters bestimmen zu können. In dieser Arbeit wird ein integrales Modell entwickelt, das die Vorgänge im unteren Plenum beschreibt. Dabei sind zwei prinzipielle Modellbereiche zu unterscheiden: Das Temperaturfeld in der Schmelze und im RDB wird mit einem thermodynamischen Modell berechnet, während für die Strukturanalyse des RDB ein mechanisches Modell verwendet wird. Zunächst werden das betrachtete Unfallszenario dargestellt und die bisher in den letzten drei Dekaden weltweit durchgeführten wesentlichen analytischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen diskutiert. Anschließend werden die auftretenden physikalischen Vorgänge analysiert. Gleichzeitig werden Skalierungsunterschiede zwischen den in dieser Arbeit betrachteten Experimenten der FOREVER-Reihe und einem prototypischen Szenario herausgearbeitet. Das thermodynamische und das mechanische Modell können rekursiv gekoppelt werden, wodurch die wechselseitige Beeinflussung berücksichtigt werden kann. Insbesondere werden damit neben der Temperaturabhängigkeit der Materialparameter und den thermisch induzierten Spannungen im mechanischen Modell auch die Rückwirkungen der Behälterverformung auf das Temperaturfeld selber erfasst. Für die Kriech- und Schädigungssimulation werden in dieser Arbeit neue Verfahren angewendet. Durch die Entwicklung und den Einsatz einer Kriechdatenbasis konnte die bei sehr unterschiedlichen Temperaturen, Spannungen und Dehnungen ungeeignete Verwendung einzelner Kriechgesetze umgangen werden. Aufbauend auf experimentellen Untersuchungen wurde eine Kriechdatenbasis für einen RDB-Stahl entwickelt und an Hand von Kriechversuchen verschiedener Geometrie und Dimension validiert. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass das gekoppelte Modell prinzipiell in der Lage ist, die Behälterdeformation im Falle der skalierten FOREVER-Experimente exakt zu beschreiben bzw. vorherzusagen. Unsicherheiten bezüglich der Versagenszeit resultieren aus nicht exakt bekannten Materialparametern und Randbedingungen. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Aufgrund des thermodynamischen Verhaltens eines großen Schmelzesees mit inneren Wärmequellen erfolgt die höchste thermomechanische Belastung des RDB im oberen Drittel der Bodenkalotte. Dieser Bereich wird als heißer Fokus bezeichnet. Der untere Bereich der Kalotte weist hingegen eine höhere Festigkeit auf und verlagert sich deswegen bei entsprechender Belastung des RDB im wesentlichen senkrecht nach unten. Bei einer externen Flutung besteht auch bei hohen Innendrücken für einen Reaktor großer Leistung (KONVOI) die Möglichkeit, die Schmelze im RDB zurückzuhalten. Ohne interne oder externe Flutung besteht für das betrachtete Szenario keine Aussicht für eine Schmelzerückhaltung im RDB. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden zwei Patente abgeleitet. Dabei handelt es sich um passiv wirkende Einrichtungen zur Schadensbegrenzung: Die erste reduziert durch Abstützen des unteren Kalottenzentrums die Maximalspannungen im hochbeanspruchten Bereich des heißen Fokus und kann damit ein Versagen verhindern oder zumindest verzögern. Die zweite Einrichtung ermöglicht die passive Auslösung einer Flutung, indem die Abwärtsbewegung der Kalotte zur Steuerung genutzt wird. Hierdurch kann beispielsweise ein Ventil geöffnet werden, um Wasser aus im Gebäude höher angeordneten Reservoirs in die Reaktorgrube zu leiten. Abweichend von bisherigen Annahmen kann im Hinblick auf die Entwicklung zukünftiger Baulinien festgehalten werden, dass eine Kernschmelzerückhaltung im Reaktordruckbehälter auch für Reaktoren größerer Leistung möglich ist.