Integration analytischer Wärmeübertragungsberechnungsverfahren in das Finite-Elemente-System Z88 zur beschleunigten thermischen Bewertung von Transport- und Lagerbehältern für Brennelemente

Die sichere Abfuhr der Nachzerfallswärme ist eines der zentralen Schutzziele von Transport- und Lagerbehältern (T/L-Behälter) für Brennelemente. Um die Festigkeit der Werkstoffe eines T/L-Behälters nicht zu schwächen, muss sichergestellt werden, dass vorgeschriebene Maximaltemperaturen an bestimmten Positionen im und am Behälter nicht überschritten werden. Eine besondere Herausforderung bei der numerischen Simulation dieser Behälter ist die Berücksichtigung kleiner, gasgefüllter Spalte, die den Wärmetransport an die Umgebung behindern und die - neben Wärmeleitung - mit Konvektion und Wärmestrahlung zwei weitere Wärmetransportmechanismen aufweisen, die unter Umständen im Rahmen einer thermischen Bewertung berücksichtigt werden müssen. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Helium-gefüllter Spalt, der den Behälter in einen inneren und einen äußeren Teil trennt und dessen Form davon abhängt, ob der Behälter stehend (Zwischenlagerkonfiguration) oder liegend (Transportkonfiguration) positioniert ist. Auf Basis des Finite-Elemente-Systems Z88 wurde daher ein Simulationsprogramm entwickelt, welches die thermischen Effekte des Helium-gefüllten Spaltes über analytische Gleichungen berücksichtigt, ohne diesen Bereich mit finiten Elementen zu vernetzen. Dazu wurde das gestörte Lagrange-Verfahren genutzt, wodurch beliebige lineare Funktionen als sogenannte thermische Spaltbedingungen in die Finite-Elemente-Analyse eingebracht werden können.