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      CFD-Simulation eines Schwerwassereinbruchs in eine Vakuumrohrleitung

      CFD-Simulation eines Schwerwassereinbruchs in eine Vakuumrohrleitung

      Basierend auf CFD-Simulationen wurde beurteilt, ob die Schnellschlussklappen eines Protonenstrahlkanals rechtzeitig schliessen, um eine Kontamination durch radioaktives Schwerwasser zu verhindern, wenn ein Einbruch des Target-Fensters vorkommt.

      Ausgangslage

      Neutronen werden durch beschleunigte Protonen erzeugt, indem diese auf ein Blei-Target treffen. Dieses wird mit Schwerwasser (D2O) gekühlt. Ohne Kühlung würde das sogenannte Target-Fenster, das mit Protonen von knapp einem Megawatt Leistung bestrahlt wird, innert Sekunden schmelzen und zerstört werden. Sollte es zu solch einer Beschädigung kommen, würde das radioaktiv belastete Kühlwasser in das Hochvakuum (10-4-10-5 Pascal) des Protonenstrahlrohres einströmen. Aufgrund des Hochvakuums in der Rohrleitung würde das eindringende flüssige Schwerwasser blitzschnell verdampfen und sich ausbreiten. Um eine radioaktive Kontaminierung grosser Bereiche des Protonenstrahlrohres zu verhindern, sind zwei Schnellschlussklappen in der Protonenstrahlführung ca. 23 Meter vom Target-Fenster entfernt eingebaut. Die Schnellschlussklappen sollen innerhalb 25-40 Millisekunden (ms) komplett schliessen. 1991 wurde am PSI zur Beurteilung bereits eine 1D-Berechnung mit Massen- und Energiebilanz durchgeführt. Mit der rasanten Entwicklung der numerischen Tools in den letzten Jahrzehnten ist es daher heute sinnvoll, mit CFD (Computational Fluid Dynamics) die Situation mit 3D-Simulationen neu zu bewerten.

      Ziele

      Es soll beruhend auf den CFD-Simulationen beurteilt werden, ob die Schnellschlussklappen im SINQ-Ast des Protonenkanals nach einem Schwerwassereinbruch in das Protonstrahlrohr mit Hochvakuum rechtzeitig abschliessen können, um eine Kontamination mit radioaktiv belastetem Schwerwasser zu verhindern.

      Ergebnisse

      Mit 3D CFD Simulationen wurde der Schadenfall simuliert und beurteilt. Das Target-Fenster befindet sich in der obersten Stelle der ganzen Rohrleitung in Abbildung 1. Das verdampfte Schwerwasser strömt nach unten (rote Pfeile in Abbildung 1) und passiert vier Vakuumsensoren. Wenn diese eine Druckerhöhung zwischen 0.1-10 Pascal erreichen, lösen sie ein Signal zum Schliessen der Schnellschlussklappen aus. Die Simulationen ergaben im Worst-Case-Szenario eine Ausbreitungszeit von 54.4 ms. Die mit CFD berechneten Ausbreitungszeiten sind somit länger als die spezifizierte Schliesszeit von 20-40 ms, d.h. die Schnellschlussklappe kann im Notfall rechtzeitig schliessen.

      Abbildung 1: Übersicht der Protonenstrahlführung mit Target-Fenster, wo der Einbruch stattfinden könnte und Einlass der CFD-Domäne ist, Vakuumsensoren und Schnellschlussklappen

      Animation 1: Massenstromausbreitung im SINQ-Ast des Protonenkanals bei Schwerwassereinbruch

      Projektinformation

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      Auftraggeber
      Gruppe «Betrieb Spallationsneutronenquellen», Paul-Scherrer-Institut (PSI)
      Ausführung

      Institut für Thermo- und Fluidengineering FHNW

      Förderung
      Dienstleistungsprojekt
      Dauer
      7 Monate

      Projektteam

      Beat Ribi, Weiqun Geng

      Die FHNW

      Hochschule für Technik und Umwelt FHNW
      Institut für Thermo- und Fluid-Engineering
      Beat Ribi

      Prof. Dr. Beat Ribi

      Leiter Institut für Thermo- und Fluid-Engineering FHNW

      Telefonnummer

      +41 56 202 74 34 (Direct)

      E-Mail

      beat.ribi@fhnw.ch

      Adresse

      Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW Hochschule für Technik und Umwelt Klosterzelgstrasse 2 5210 Windisch

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