Reaktormodelle

Reaktormodelle bezeichnen mathematische Modelle, die das Verhalten von Reaktoren verschiedenster Art abbilden. Sie dienen dem Design, der Betriebsführung, der Simulation und der Sicherheitsanalyse und können mechanistische, empirische oder hybride Ansätze verfolgen.

Chemische Reaktoren werden oft durch differenzielle Gleichungen beschrieben, die Stoff- und Energiebilanzen berücksichtigen. Typische Lumpenmodelle sind der kontinuierlich gemischte Reaktor (CSTR) und der Plug-Flow-Reaktor (PFR). Erweiterte Modelle berücksichtigen Mehrzonen, Wärmeübertragung und Temperaturgradienten. Die Reaktionskinetik und Randbedingungen bestimmen die zeitliche Entwicklung der Konzentrationen und Temperaturen; Parameter werden aus Experimenten oder Prozessdaten abgeleitet.

Im Kerntechnikbereich befassen sich Reaktormodelle mit Neutronenkinetik und Wärmeübertragung. Grundtypen reichen vom Punktkinetikmodell, das räumliche Unterschiede vernachlässigt, bis zu räumlich aufgelösten Modellen anhand der Diffusionstheorie oder Transportgleichungen. Mehrgruppenmodelle unterscheiden Neutronenenergie. Modelle werden mit thermischer Kopplung, Steuerstabdynamik und sicherheitsrelevanten Grenzwerten verknüpft, um Transienten zu simulieren.

Modelarten umfassen mechanistische Modelle, empirische Modelle und hybride Ansätze (Grey-Box). Validierung erfolgt durch Vergleich mit Experimenten oder Anlagen- bzw. Prozessdaten; Unsicherheiten werden durch Kalibrierung und Sensitivitätsanalysen eingeschätzt.

Zu den Anwendungen gehören Prozesssimulation, Regelung, Optimierung, Sicherheits- und Notfallanalysen. Herausforderungen sind unvollständige Daten, Nichtlinearität, Zeitverzögerungen, Mehrgrößenthemen und sich ändernde Betriebsbedingungen. Modelle müssen regelmäßig validiert und aktualisiert werden.