Published February 2019 | Version v1
Report

Further development of the system calculation program ATHLET-CD for the simulation of accidents in the primary circuit

Description

ATHLET-CD, which is part of the code system AC2, is developed to analyze nuclear accidents in pressurized and boiling water reactors. The development is financed by the German Federal Ministry for Economics and Energy (BMWi). The aim of the development is to create a tool to realistically simulate the phenomena occurring during an accident scenario in a water-cooled reactor. Through continuous development of the model basis of the code, ATHLET-CD can predict severe accident scenarios more realistically. ATHLET-CD is based on the thermohydraulic models of ATHLET. This allows the determination of the starting- and boundary conditions of the analyzed accident scenario, not only at the beginning of the calculation but also during the transient. ATHLET-CD can be coupled to the containment program COCOSYS. Through this coupling it is possible to cover the whole spectrum of the accident scenarios. ATHLET-CD consists of modules covering a wide range of phenomena that can occur during a severe accident: degradation of fuel- and control rods, melt relocation to the lower plenum and its behavior in the lower plenum, fission product release and transport in the cooling circuit, including fission product decay. Within the project RS1546 the following models were extended/newly implemented: - Models for core degradation, - Models for fission product behavior, - Models for oxidation in air, - Models for BWR structure component degradation, - Models for processes in the lower plenum. The improvement in the models for core degradation enable an adequate simulation of accidents with azimuthally asymmetric boundary conditions, as well as accidents in spent fuel pools. The developments for the lower plenum include an improved wall ablation model, an improved coupling of the lower plenum models to ATHLET and COCOSYS, and improvements regarding outside cooling of the reactor vessel. This improved the quality of the code, which is reflected also in the results of the simulation of many experiments. Within the project RS1546 a python coupling interface was created for easier coupling of external models. The new python interface also allows a better visualization of the core degradation processes and fission product transport phenomena. Many improvements were made regarding internal coupling between the parts of the AC2 package also. Generic input decks were developed for PWR, BWR and WWER reactors in order to verify the newly developed models under realistic accidental conditions. During the timeframe of the project a new ATHLET-CD version was released (ATHLET-CD Mod 3.1 Cycle A, July 2016), the works for another new release were started (ATHLET-CD 3.2). The most important changes in ATHLET-CD Mod 3.1 Cycle A were: - New lower plenum model LHEAD implemented, - Transport of melt from the reactor vessel to the cavity in COCOSYS after wall failure, - Considering the oxidizing/reducing atmosphere during fission product release, - Code performance and stability improvements. Several patches were released during the project which further improved the stability and performance of the code. ATHLET-CD 3.2 was prepared for release. The most important changes in ATHLET-CD 3.2 are: - Improved B4C-oxidation for absorber blades in BWR, - Improved air oxidation models, - Horizontal relocation of melt within the core region, - Improved fission product transport models, - Strongly improved models of the lower plenum module AIDA.

Availability note (English)

Available from: https://www.grs.de/sites/default/files/pdf/grs-535.pdf

Abstract (German)

Im Rahmen der Reaktorsicherheitsforschung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) wird als Teil des Rechenprogrammsystems AC2 das Rechenprogramm ATHLET-CD für die Analyse von Unfallabläufen in Kernkraftwerken mit Druck- und Siedewasserreaktoren und für die Bewertung von anlageninternen Notfallschutzmaßnahmen entwickelt. Das Ziel ist, ein weitgehend mechanistisches Analysewerkzeug zur möglichst realistischen Simulation von Unfällen in wassergekühlten Kernreaktoren bereitzustellen. Mit der Weiterentwicklung wird die Leistungsfähigkeit des Programms wesentlich erhöht, so dass realistische Analysen von auslegungsüberschreitenden Unfällen sowie die Simulation fortgeschrittener Kernzerstörung mit erweitertem Modellumfang in angemessener Rechenzeit durchgeführt werden können. ATHLET-CD basiert auf den thermohydraulischen Modellen von ATHLET. Auf der Grundlage der ATHLET-Modelle ist es möglich, die Anfangs- und Randbedingungen für die Berechnung von Unfällen mit ATHLET-CD direkt aus vorangegangenen Transienten abzuleiten. Zur Simulation einer vollständigen Unfallsequenz kann ATHLET-CD mit dem Containment-Programm COCOSYS, welches ebenfalls Teil von AC2 ist, gekoppelt werden. ATHLET-CD enthält Module zur Simulation der Brennstab- und Steuerelementzerstörung in Druck- und Siedewasserreaktoren, zur Simulation der Spätphase mit Schmelze im unteren Plenum des Reaktordruckbehälters (RDB) sowie Module zur Freisetzung und des Transports von Spaltprodukten und Aerosolen im Kühlkreislauf, einschließlich des Nachzerfalls der Nuklidinventare und chemischer Reaktionen in der Gasphase. Im Rahmen des Vorhabens RS1546 wurden die folgenden Modelle weiterentwickelt bzw. neu implementiert: - Modellierung der Kernzerstörung, - Spaltproduktverhalten, - Oxidation in Luftatmosphäre, - Verhalten von Siedewasserreaktor-Komponenten, - Prozesse im unteren Plenum. Die Verbesserungen bei der Modellierung der Kernzerstörung ermöglichen jetzt auch eine realistische Simulation von Unfällen unter asymmetrischen Bedingungen sowie von Unfällen in Brennelementlagerbecken. Die Erweiterung der Modelle zum Schmelzeverhalten im unteren Plenum in der Spätphase, zur Ablation der RDB-Wand und die verbesserte Kopplung zu ATHLET bzw. COCOSYS ermöglichen ebenfalls deutlich realistischere Simulationen entsprechender Unfallabläufe, inklusive RDB-Außenkühlung. Die gesteigerte Qualität der Nachrechnungen von Unfallabläufen in Kernreaktoren und von Versuchen weist die erhöhte Leistungsfähigkeit von ATHLET-CD nach. Im Vorhaben RS1546 wurde weiterhin eine Python-Schnittstelle zur Ankoppelung externer Modelle implementiert und generelle Verbesserungen der Kopplung im Programmpaket AC2 erreicht. Mit der Python-Schnittstelle bestehen auch verbesserte Visualisierungsmöglichkeiten zur Darstellung der Vorgänge im Reaktordruckbehälter und des Transports von Spaltprodukten im Primärkreislauf. Die Erstellung generischer Anlagendatensätze zu je einem Druckwasserreaktor, einem Siedewasserreaktor sowie einem Reaktor des russischen Typs WWER erlauben ein effizientes Testen von neuen bzw. verbesserten Modellen in ATHLET-CD für typische Anwendungsfälle. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Modelle in ATHLET-CD möglichst schnell getestet werden können und die Datensätze nicht zu umfangreich sind. Während des Berichtzeitraums wurde eine neue Version von ATHLET-CD freigegeben und eine weitere für die Freigabe vorbereitet. So wurde im Juli 2016 die Version ATHLET-CD Mod 3.1 Cycle A freigegeben. Wichtige Neuerungen waren hier die Bereitstellung des Spätphasenmodells LHEAD, die Berechnung des Austritts von Schmelze aus dem Reaktordruckbehälter nach dessen Versagen, die darauffolgende Übergabe der Schmelze an COCOSYS, die Berücksichtigung von oxidierenden bzw. reduzierenden Bedingungen bei der Freisetzung der Elemente Barium, Molybdän und Ruthenium sowie allgemeine Verbesserungen bei der Rechenstabilität. Durch die Freigabe von Patches erfolgten Fehlerbeseitigungen bzw. weitere Verbesserungen bzgl. der Stabilität. Außerdem wurde die Version ATHLET-CD 3.2 eingefroren und für die Freigabe im Rahmen von AC2 2019 vorbereitet. Dadurch werden dem Anwender Verbesserungen wie die Simulation von B4C-Oxidation für Absorberblätter in Siedewasserreaktoren, ein erweitertes Modell für die Luftoxidation, ein neues Modell für die radiale Verlagerung von Schmelze, ein verbessertes Modul zur Simulation des Transports von Spaltprodukten und Aerosolen im Kühlkreislauf sowie ein stark verbessertes Spätpha-senmodul AIDA zur Verfügung stehen.

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Weiterentwicklung des Systemrechenprogramms ATHLET-CD zur Simulation von Unfällen im Primärkreislauf

Publishing Information

ISBN
978-3-947685-20-2
Imprint Pagination
208 p.
Report number
GRS--535

Optional Information