Einfluss der Naturkonvektion auf den Wärmetransport in Brennelementen

Für die Zwischenlagerung von abgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken werden dickwandige Gussbehälter verwendet. Durch den radioaktiven Zerfall wird in den Brennstäben der Brennelemente Wärme freigesetzt, die an das Gas und die Strukturen innerhalb des Behälters durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und freie Konvektion abgegeben wird. Die Wärme wird anschließend über Wärmeleitung durch die Behälterwand zur äußeren Behälteroberfläche transportiert. Von dort wird die Wärmeleistung durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben.

In Rahmen der Diplomarbeit sollen die Wärmetransportprozesse innerhalb der Brennelemente genauer untersucht werden. Die Brennelemente bestehen je nach Typ aus 80 bis 300 einzelnen Brennstäben, die in quadratischen Brennstabgittern angeordnet sind. Zwischen den Brennstäben befindet sich das Füllgas Helium.

Der Wärmetransport in den Brennelementen geschieht vorwiegend durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung, da der Abstand zwischen den Brennstäben mit (~10 mm) für die Ausbildung einer turbulenten Auftriebsströmung zu klein ist. Dennoch sind laminare Gasströmungen zwischen den Brennstäben für die Wärmeabfuhr und die Temperaturverteilung im Brennelement nicht ohne Bedeutung.

Der Einfluss der Strömung innerhalb der Brennelemente soll deshalb im Rahmen einer Diplomarbeit genauer untersucht werden. Anhand einer Literaturstudie sind zunächst die bisherigen Ansätze zum Wärmetransport in Brennelementen zusammenzufassen und zu bewerten. Anschließend ist der Wärmetransport innerhalb verschiedener Brennelement-Typen mit dem CFD-Programm ANSYS®-CFX- mit und ohne Berücksichtigung der Strömung – zu simulieren. Die Ergebnisse aus den CFD-Berechnungen sind den Ergebnissen aus der Literaturstudie gegenüberzustellen und zu bewerten.

Ansprechpartner:

Herr Dr. Leber, WTI,
Tel.: 02461/933-140,
E-Mail: leber@wti-juelich.de