Onder hoge druk: water-stoom stroomt voor de camera

Proefkamer maakt extreme stromingen zichtbaar

Stoomwaterstroom bij 5 megapascal (50 keer de normale druk) en 264 ° C, genoteerd aan de TOPFLOW-faciliteit van de FZD © FZD
voorlezen

Niemand had direct kunnen waarnemen hoe water en stoom door een pijp met een normale druk van 50 maal een temperatuur van 264 graden Celsius stromen. Maar nu hebben onderzoekers een speciale testkamer ontwikkeld die zulke extreme stromingen zichtbaar maakt. Dit is bijvoorbeeld belangrijk om het gedrag van het koelwater te beoordelen in geval van een lek in een kerncentrale.

Vloeibare gasstromen hebben talloze toepassingen in de chemische, olie- en energie-industrie. In nucleaire installaties is de kennis van de stroomprocessen bijzonder belangrijk om de veiligheid van de installaties te beoordelen. Bijvoorbeeld, in een drukwaterreactor in de eerste cyclus stroomt normaal alleen water onder hoge druk en bij temperaturen rond 300 ° C.

De warmte die in de vorm van warmte-energie in de reactor vrijkomt, wordt door het water opgenomen en in een stoomgenerator aan een tweede circuit afgegeven, dat de turbines van stoom voorziet. Als er in de eerste cyclus een lek zou zijn, zou in de laatste cyclus stoom worden gegenereerd als gevolg van de bijbehorende drukval. Talrijke actieve en passieve maatregelen zijn voorzien om de veilige uitschakeling en koeling van de reactorkern bij een dergelijk ongeval te waarborgen.

Experimenteer bij 70x luchtdruk

Een van de taken van het Instituut voor veiligheidsonderzoek in het Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) is het experimenteel onderzoeken en modelleren van stromingsverschijnselen voor water-stoomstromen in delen van het nucleaire koelcircuit. Aangezien dergelijke experimenten om kostenredenen niet op een 1: 1-schaal kunnen worden uitgevoerd, moeten geavanceerde computersimulaties van de stroomprocessen helpen om de experimentele resultaten van geschaalde pilootfabrieken te vertalen naar de werkelijke schaal.

Voor dergelijke experimenten is het TOPFLOW-systeem beschikbaar op FZD. TOPFLOW is de afkorting voor "Transient TWO-Phase FLOW" en is een van de grote onderzoeksfaciliteiten bij Forschungszentrum Jülich. Het systeem wordt gebruikt voor het experimentele onderzoek van stoom- en lucht-waterstromen. Met een elektrische stoomgenerator met een capaciteit van 4 megawatt kan tot 1, 5 kilogram stoom per seconde worden gegenereerd bij 7 megapascal, dat wil zeggen 70 keer de normale luchtdruk. tonen

Drukkamer tot nu toe ondoorzichtig

Tot nu toe was het onmogelijk om stromingen van water en stoom bij hoge druk en hoge temperaturen over een groot gebied te visualiseren, omdat systeemcomponenten die dergelijke drukken moeten weerstaan ​​meestal van massief staal zijn, dat wil zeggen dat ze geschikt zijn voor Camera's ondoordringbaar. Een experimentele techniek ontwikkeld bij de FZD maakt het mogelijk experimenten uit te voeren op ondergeschikte stormen in kernreactoren in een drukkamer. In deze kamer bevinden de feitelijke testsectie en de atmosfeer van de container zich in drukvereffening, zodat de ontwerpcomponenten van de experimentele opstelling niet worden blootgesteld aan hoge drukverschillen.

Directe observatie nu mogelijk

Hierdoor kunnen de wanden van de componenten worden voorzien van grote observatievensters, waardoor het gebruik van high-speed videocamera's mogelijk is. De aldus verkregen gegevens zijn uniek vanwege hun hoge ruimtelijke en temporele resolutie en zijn ondertussen ook internationaal gewild. Video-observaties zijn bijzonder waardevol omdat ze gegevens met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie leveren. Daarom worden ze al lang gebruikt, bijvoorbeeld bij het onderzoek van lucht-waterstromen in plexiglaskanalen bij omgevingsdruk. Met behulp van de nieuwe drukkamer kunnen water-stoomstromen nu onder hoge druk worden gefilmd

Gegevens voor beveiligingsanalyses

In de FZD werden voor het eerst wereldwijd complexe stoomwaterstromen waargenomen met een druk tot 5 megapascal (ruwweg één meter per keer) met een high-speed videocamera. De geometrie is gebaseerd op de zogenaamde hete reeks van een Duitse drukwaterreactor. Dit is de term voor de grote pijpleiding waarin het warme koelwater van de reactor naar de stoomgenerator stroomt. Stoom en water in deze lijn stromen in tegengestelde richting in geval van een val en belemmeren elkaar. De stoomstroom beperkt de maximaal mogelijke waterstroom, die terugstroomt in de reactorkern en bijdraagt ​​aan de koeling van de kern. De exacte kennis van deze beperking van de waterstroom is cruciaal voor veiligheidsanalyses.

De gegevens vormen een belangrijke basis voor de verdere ontwikkeling van simulatieprogramma's en kunnen dus uiteindelijk worden gebruikt voor het ontwerp, de optimalisatie en de veiligheidsanalyse van kerncentrales en andere technische installaties. Alleen wanneer de computerprogramma's de ingewikkelde stoom-waterstromen correct kunnen berekenen, kan men zonder dergelijke uitgebreide experimenten.

(Onderzoekscentrum Dresden Rossendorf, 08.05.2009 - NPO)