Nach ihrem Einsatz im Reaktor werden abgebrannte Brennelemente für mehrere Jahre im Brennelementlagerbecken gelagert. Dabei produzieren sie eine Nachzerfallswärmeleistung, welche im Regelfall über aktive Kühlsysteme abgeführt wird. Im Falle eines Ausfalls dieser Systeme kann es wie bei dem Reaktorunfall in Fukushima-Daiichi zu einem vollständigen Verlust des Kühlmittels kommen. Die dabei zu erwartenden thermohydraulischen Vorgänge im Lagerbecken wurden bisher nicht näher untersucht. Eine Ausnahme bilden amerikanische Studien, welche sich jedoch meist auf den Störfall eines schnell und vollständig leergelaufenen Lagerbeckens in der Folge eines Erdbebens beschränken. Die dafür entwickelten 1-dimensionalen Rechencodes wurden jedoch nicht experimentell validiert.
Inhalt dieser Arbeit ist die thermohydraulische Analyse verschiedener Störfallszenarien im Lagerbecken. Der Fokus liegt dabei auf den Vorgängen in einem einzelnen Brennelement. Die Einflüsse durch benachbarte Brennelemente wurden dafür weitestgehend vernachlässigt. Dadurch ist es möglich, Aussagen darüber zu treffen, unter welchen Randbedingungen die Nachzerfallswärmeleistung aus einem Brennelement abgeführt werden kann, ohne eine zulässige Hüllrohrtemperatur von 550 °C zu überschreiten. Die verwendeten analytischen Modelle wurden entweder selbst entwickelt oder aus anderen Forschungsbereichen übernommen. Die Anwendung des Modells des „offenen Thermosiphon“ zur Beschreibung eines teilweise oder vollständig luftgekühlten Brennelementes ist ein neuer Ansatz, der in dieser Arbeit erstmals genutzt wurde. Eine numerische Untersuchung der Störfallszenarien fand mit dem Thermohydraulikcode ATHLET statt. Die Validierung der analytischen und numerischen Erkenntnisse wurde anhand von experimentellen Daten, von der für diese Arbeit errichteten Versuchsanlagen ADELA-II und HENNA, durchgeführt.
Als Resultat der Untersuchungen kann Folgendes festgestellt werden: Da der axiale Wärmetransport aus einem Brennelement nur in geringem Maße möglich ist, wird die Wärme hauptsächlich über Wärmestrahlung und Wärmeleitung an die Brennelementkastenoberfläche transportiert. Wie gut die Wärme von dort abgeführt werden kann, ist stark von der Brennelementanordnung abhängig. Bei einer kompakten Lagerung kann es im Falle einer Luftkühlung zu Stagnationseffekten in und um die Brennelemente kommen, wodurch Hüllrohrtemperaturen über 550°C bereits bei geringen Stableistungen zu erwarten sind. Für den Fall der Dampfkühlung beim Ausdampfen des Beckens ist eine maximale Dampftemperatur von 550 °C bereits ab einem Füllstand unter 2,8 m anzunehmen, sofern quasistationäres Verhalten unter Vernachlässigung des radialen Wärmetransportes vorausgesetzt wird. Um die Wärmeleistung aus einem Lagerbecken unabhängig von Fremdenergie wie Strom oder Diesel abzuführen, können passive Kühlsysteme eingesetzt werden. Neben der Untersuchung von Störfallszenarien wurde daher auch die Möglichkeit der passiven Wärmeabfuhr aus einem Brennelementlagerbecken analysiert. Dazu sind Daten der Versuchsanlage LUKA verwendet und der Einfluss verschiedener Parameter analysiert worden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung eines passiven Lagerbeckensystems technisch sowie ökonomisch möglich ist und wie die Effizienz heutiger Systeme verbessert werden kann.