Der Rippensubstitutionsfaktor – Ein Beitrag zur Vereinfachung und Beschleunigung von thermischen Simulationen am Beispiel eines Brennelementlagerbehälters

Transport- und Lagerbehälter für abgebrannte Brennelemente müssen unter anderem die entstehende Nachzerfallswärme an die Umgebung abgeben. Um dies nachzuweisen, werden im Zuge des Auslegungs- und Freigabeprozesses thermische Simulationen angestellt, die allerdings aus verschiedenen Gründen modellierungs- und rechenintensiv sind.
Diese Arbeit befasst sich mit der Rippenfaktormethode, die es ermöglicht, den Modellierungs- und Berechnungsaufwand von solchen thermischen Behältersimulationen zu reduzieren, indem die berippte Behälteroberfläche als glatte Oberfläche modelliert und der eigentlich durch die Kühlrippen bedingt höhere Wärmetransfer über einen Faktor berücksichtigt wird.
Um diese Methode zu verbessern, wird der analytisch berechenbare Rippensubstitutionsfaktor RSF definiert und Berechnungsprozess vorgestellt, wie dieser für spezifische Anwendungsfälle unter Berücksichtigung von Konvektion und Wärmestrahlung bestimmt werden kann. Dieser Prozess wird am Beispiel von ebenen, vertikalen Rechteckrippenfeldern mit Luft als umgebendes Fluid umgesetzt und die Ergebnisse anhand von Experimentaldaten aus der Literatur validiert. Abschließend wird am Beispiel des CASTOR-1c Behälters gezeigt, dass sich die zuvor definierten Zusammenhänge auf Brennelementbehälter übertragen lassen. Zur Demonstration des Ansatzes werden die Ergebnisse von Strömungssimulationen des CASTOR-1c und die von Festkörpersimulationen unter Verwendung der entsprechenden Rippensubstitutionsfaktoren mit Experimentaldaten verglichen. Es zeigt sich, dass der im Zuge dieser Arbeit definierte und analytisch berechenbare Rippensubstitutionsfaktor thermische Simulationen von Brennelementtransportbehältern bei sehr guter Ergebnisgüte wesentlich beschleunigen kann.