Zusammenfassung

Die vorliegende Untersuchung betrachtet mögliche Konsequenzen einer Verlagerung von Kernschmelze in das untere Plenum des European Pressurized Water Reactor (EPR). Im Gegensatz zu früheren Studien ist die gewählte Vorgehensweise nicht Risiko orientiert, sondern orientiert sich an den Konsequenzen des Vorganges, d.h. in jedem Schritt werden die extremsten Konsequenzen, die nicht mit hoher Zuverlässigkeit ausgeschlossen werden konnten, als Grundlage für den nächsten Schritt angenommen.

Für drei unterschiedliche, zu Kernschmelze führende Szenarien, wurde mit den drei Kernschmelzecodesystemen SCDAP/RELAP5, MELCOR, und MAAP der Zustand der Schmelze im Reaktorkern vor dem Absturz in das untere Plenum berechnet. Aus dem Ergebnisspektrum wurden maximale Werte für die Konfiguration des Schmelzepools als Startbedingungen für die Vorvermischungsrechnungen mit MATTINA und MC3D extrahiert. Für jeden Code wurde ein genereller Parametersatz erstellt, der eine bestmögliche Analyse von sowohl FARO als auch PREMIX und QUEOS Versuchen ermöglichte.

Es wurden axiale und laterale Ausfluss-Szenarien aus verschiedenen Höhen untersucht. Generell wird die berechnete Vorvermischung durch große Schmelze-Verlagerungsraten, große anfängliche Tropfen, und durch Druckverlustkoeffizienten in der "flow distribution plate" im unteren Plenum erhöht.

Die thermische Energie für eine mögliche Dampfexplosion wurde konservativ für verschiedene Szenarien abgeschätzt. Unter Berücksichtigung der verfügbaren experimentellen und analytischen Ergebnisse wurde ein angemessener, konservativer Konversionsfaktor festgelegt.

Ferner wurde angenommen, dass 40% der mechanischen Energie zur Beschleunigung des Schüttbettes und des restlichen Schmelzepools auf der unteren Gitterplatte zur Verfügung steht, was zu einer beträchtlichen Belastung des Reaktordeckels führen kann. Die Belastungsenergien, denen der Reaktordeckel widerstehen kann, wurden aus Modell-Experimenten im BERDA Programm abgeleitet, die ein weites Spektrum von möglichen Bedingungen umfassen. Unter Berücksichtigung spezieller Ähnlichkeits-Bedingungen wurden die Ergebnisse auf Reaktormaßstab übertragen.

Allgemein kann man aus den Ergebnissen der Untersuchung schließen, daß die kinetische Energie des abrupt nach oben beschleunigten Slugs in Wechselwirkung mit dem Reaktordeckel die Grenzen der Belastbarkeit des Deckels erreichen würde. Jedoch basieren diese Resultate auf Anwendung von sehr konservativen Annahmen in jedem Zwischenschritt. In der Mehrheit der betrachteten pessimistischen Fälle bleibt jedoch die kinetische Energie unter der Lastabtragungsfähigkeit des Deckels. In diesem Sinne ist keine Notwendigkeit für zusätzliche Design-Maßnahmen gegen In-vessel Dampfexplosion erkennbar, und zum ?-mode Versagen des Containments führende Pfade müssen nicht betrachtet werden.

Abstract

In this study consequences of in-vessel melt relocation scenarios into the lower plenum of the European Pressurized Water Reactor (EPR) are considered. In contrast to former work the approach is not risk oriented but consequence oriented. In every step, the most adverse consequences that cannot be excluded with high reliability are taken as basis for the next step. From three different core melt initiators the state of the molten pool prior to crust failure was calculated by SCDAP/RELAP5, MAAP, and MELCOR. From these data upper values for molten pool mass and pool temperature were chosen for premixing analyses with MC3D and MATTINA. For each code a parameter set was selected derived from code validation using selected FARO, PREMIX, and QUEOS experiments. Various outflow scenarios at bottom and lateral positions at different elevations of the molten pool were calculated. All calculations were performed in axial symmetry (2D) except one 3D MC3D calculation. Generally, the calculated premixing process is enhanced by large melt release rates, large initial droplet size and pressure loss of the flow distribution plate in the lower plenum.

The thermal energy available for an in-vessel steam explosion was estimated conservatively from selected premixing configurations. Based on available theoretical and experimental information a reasonably conservative energy conversion factor was selected. Then 40 % of the mechanical energy may accelerate the remnants of debris and the molten pool on top of the lower core support plate in upward direction. This may lead to a considerable mechanical load to the upper vessel head. The load energies which the reactor vessel head can withstand are determined on basis of experimental results from the BERDA facility that cover a broad spectrum of conditions and applying similarity theory to convert experimental results to the reactor scale.

In general one can conclude from results of these investigations, that the kinetic energy of a core melt moving potentially rapidly upward as consequence of an in-vessel fuel coolant interaction might reach the load carrying capabilities of the vessel head. However, this result is only obtained when the most pessimistic assumptions are applied in every step of the analyses. In the majority of the considered pessimistic cases the kinetic energy remains below the load carrying capabilities of the reactor vessel head. In so far there is no need for additional design measures against steam explosions and alpha-mode containment failure sequences need not to be considered.