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Neues Forschungsprojekt bekräftigt die langjährige und erfolgreiche Partnerschaft im Bereich der Energie- und zivilen Nukleartechnik.

Mit dem Schweizer eidgenössischem Nuklearsicherheitsinspektorat (ENSI) pflegt der Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD (LSCAD) seit beinahe einem Jahrzehnt eine enge Partnerschaft. Das soll auch so bleiben: Am ersten 1. Dezember 2021 startetet das mittlerweile vierte gemeinsame Forschungsprojekt, indem neue Simulationsmethoden für die thermo-mechanische Analyse von Brennelementtransport- und -lagerbehältern (TLB) erforscht und entwickelt werden.

Nach ihrer Betriebszeit werden Brennelemente in TLB eingebracht. Um die Sicherheit für Mensch und Umwelt zu gewährleisten, dürfen unter anderem die Temperaturen im Inneren der TLB bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Um dies sicherzustellen, muss das Temperaturfeld bereits im Vorfeld genau bestimmt werden. Die Durchführung der dafür notwendigen numerischen Simulationen ist jedoch aus mehrere Gründen sehr aufwendig. An erster Stelle ist die komplexe Geometrie der Behälter zu nennen, die eine feine Diskretisierung mit mehreren Millionen Freiheitsgrade bedingt. Für eine möglichst reale Abbildung des thermischen Verhaltens müssen weiterhin alle Wärmeübertragungsmechanismen berücksichtigt werden. Vor allem die numerische Berechnung der strahlungsbedingten Wärmeabfuhr ist rechenintensiv. Darüber hinaus hat jeder Behälter eine individuelle Beladung mit abgebrannten Brennelementen und damit ein eigenes thermisches Profil. Im Zuge der Genehmigungs- und Zulassungsverfahren von diesen Behältern sind daher eine große Anzahl von thermischen Simulationen erforderlich, deren Ergebnisse und Annahmen vom ENSI überprüft werden müssen.

Der LSCAD hat eine spezielle Methode zur Abbildung der Nachzerfallswärmeabfuhr entwickelt. Der thermische Einfluss der gasgefüllten Spalte im Inneren der Behälter wird hierbei unter Berücksichtigung aller Wärmeübertragungsmechanismen durch analytische Gleichungen abgebildet, die wiederum über Koppelbedingungen in das numerische Gleichungssystem eingebaut werden. Durch dieses Vorgehen müssen die Spalte im Inneren nicht diskretisiert werden, wodurch der Berechnungsaufwand sinkt. Durch dieses Vorgehen wird die Analysedauer um ein Vielfaches verkürzt.

Diese Methode wird im aktuellen Forschungsprojekt weiterentwickelt. Um die Anwendbarkeit der Methode zu garantieren, wird diese in die eigens für das ENSI entwickelte Software Z88ENSI implementiert. So bringt der LSCAD sein über Jahrzehnte aufgebautes Know-How aus den Bereichen Finite-Elemente-Analyse und Softwareentwicklung ein und unterstützt damit das ENSI bei der thermomechanischen Beurteilung von TLB.