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Unerwünschtes Gas in Pumpen und Armaturen

07.12.2012
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) beteiligt sich an einem neuen Forschungsvorhaben zum Betriebsverhalten von Pumpen und Armaturen in Kernkraftwerken unter kritischen Betriebsbedingungen.

Der Ausstieg Deutschlands aus der Kernenergie ist beschlossene Sache. Gerade deshalb ist es notwendig, den sicheren Betrieb der noch laufenden Anlagen bis zu ihrer Stilllegung zu gewährleisten und die sicherheitstechnischen Konzepte am Stand von Wissenschaft und Technik zu orientieren.


Mit der ultraschnellen Röntgentomographie können im HZDR Strömungsgemische aus Wasser und Gas mit hoher Auflösung bildlich dargestellt werden.

HZDR/R. Weisflog
ro

Im Dezember 2012 startete ein neues Verbundvorhaben, an dem das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf aktiv beteiligt ist. Der stellvertretende Projektkoordinator, Prof. Uwe Hampel, erläutert: „Wir wollen uns hier mit dem Verhalten von Kraftwerkspumpen und Armaturen bei Störfällen befassen. Vor allem interessiert uns die Frage, wie der unerwünschte Mitriss von Gas im Notkühlwasser eines Reaktors den Betrieb von Notkühlpumpen beeinflussen könnte. Welchen Einfluss hat das Gas dann auf das Betriebsverhalten bzw. das Versagen von Pumpen und Armaturen und wie kann man den Mitriss von Gas verhindern?“

Gelangt Gas in Pumpen und Armaturen, so führt dieser nicht auslegungsgemäße Zustand zu mechanischen Belastungen durch Vibrationen, die langfristig zu Schäden an Laufrad, Welle oder Lagern der Pumpe bzw. Dichtsitzen von Armaturen führen. Darüber hinaus reduziert der Mitriss von Gas das von der Pumpe bewegte Wasservolumen – bis hin zum Zusammenbruch des Wasserstroms. Dies ist für Pumpen und Armaturen des Not- und Nachkühlsystems eines Kernreaktors unbedingt zu vermeiden.

Zu einem Mitriss von Gas an Kraftwerkspumpen könnte es prinzipiell auf zwei Wegen kommen: Zum einen kann bei einer sogenannten Kavitation an Schaufeln von schnelllaufenden Pumpen der Druck im Wasser lokal unter den eigentlichen Siededruck sinken – Wasser siedet unter Normaldruck bei rund 100 Grad Celsius, sinkt der Druck, so siedet das Wasser früher. Dadurch kommt es spontan zu unerwünschter Dampfblasen-Bildung. Zum anderen kann Gas beim Ansaugen aus einem offenen Wasserreservoir – wie der Notkondensationskammer einer Reaktoranlage – über sich ausbildende Hohlwirbel in Pumpen und Armaturen gelangen. Dies kann man anschaulich beim Ablaufen des Wassers aus einem Becken oder einer Wanne beobachten. Die Bedingungen, unter denen sich ein solcher Hohlwirbel bildet, ob dieser bis in den Ansaugstutzen der Pumpe reicht bzw. ob aus dem Wirbel abreißendes Gas in die Pumpe eindringt, hängt von verschiedenen fluiddynamischen Bedingungen ab: Hier spielen die Ansaugrate, der Füllstand über dem Ansaugstutzen und die Zähigkeit der Flüssigkeit, aber auch geometrische Gegebenheiten sowie das mögliche „Anfachen“ des Hohlwirbels durch einen in der Nähe des Ansaugstutzens befindlichen Wasserzulauf eine Rolle.

Verhindert werden kann die Bildung von Hohlwirbeln insbesondere durch eine geeignete Geometrie für die Ansaugung, durch eine Mindestüberdeckung des Ansaugstutzens mit Wasser sowie durch den Einbau sogenannter Wirbelbrecher in die Ansaug-Leitung. Das jetzt gestartete Forschungsvorhaben zielt insbesondere darauf ab, die Entstehung von Hohlwirbeln in bestimmten Strömungsgeometrien vorhersagen sowie Maßnahmen zur effektiven Unterbindung ergreifen zu können. Dafür sollen unter anderem verbesserte numerische Berechnungsmodelle für Strömungen entwickelt und eingesetzt werden. Prof. Hampel: „Wir wollen vor allem das Gasverhalten in Pumpen und Armaturen detailliert untersuchen und Experimente durchführen, mit denen wir die Entstehung von Hohlwirbeln besser verstehen können. Hierfür können wir unsere im Haus entwickelten, bildgebenden Messverfahren gezielt einsetzen, z.B. unsere Gittersensoren sowie die Gammatomographie und die ultraschnelle Röntgentomographie.“

Koordiniert wird das auf dreieinhalb Jahre angelegte Verbundvorhaben von der TU Hamburg-Harburg. Weitere Verbundpartner sind die KSB Aktiengesellschaft – ein weltweit führender Hersteller von Pumpen und Armaturen – sowie die TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG. Der Fördermittelanteil für das HZR beträgt mehr als eine halbe Million Euro. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert dieses nachwuchsorientierte Projekt in der nuklearen Sicherheits- und Entsorgungsforschung im Rahmen des Förderkonzepts „Grundlagenforschung Energie 2020+“. Darüber hinaus wurde von der Bundesregierung die Notwendigkeit kompetenzerhaltender Maßnahmen, insbesondere in Lehre und Forschung, erkannt.
Weitere Informationen
Prof. Dr. Uwe Hampel
Institut für Fluiddynamik im HZDR
Tel. 0351 260-2772

Pressekontakt
Dr. Christine Bohnet
Tel. 0351 260-2450
c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Enerige, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen wirksam behandelt und bildgebende Verfahren verbessert werden?
• Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden fünf Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 1.1.2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 900 Mitarbeiter – davon ca. 430 Wissenschaftler inklusive 160 Doktoranden

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.hzdr.de/
http://www.bmbf.de/pub/grundlagenforschung_energie.pdf

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