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.

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.

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.

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.

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