Abstract

This report summarises the task 2.3 of the European Project on "Corium Interactions and Thermochemistry (CIT)" conducted within the 4^th Framework Programme on "Nuclear Fission Safety". The experimental part of this task was performed during 1997/99 at the Whiteshell Laboratories of AECL (Canada), with AECL acting as a subcontractor to Forschungszentrums Karlsruhe. The analytical part of the task 2.3 was performed at the Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE).

The dissolution of UO₂ by molten Zry (³ 1760°C) influences many physico-chemical processes during core degradation: liquefaction of UO₂ at about 1000°C below its melting point, relocation of resulting (U, Zr, O) melts after failure of the outer ZrO₂ layer on Zircaloy cladding tubes and fission product release rates. In order to understand apparent inconsistencies in the experimental results published in the literature and to reduce uncertainties in the modelling of the fuel dissolution processes, different types of tests were carried out:

(i) isothermal UO₂ crucible dissolution tests at 2100 and 2200°C and reaction times up to 30 min., (ii) additional tests at 2200° C where the crucible-cavity bottom was isolated from the reaction by an yttria disc, and (iii) preliminary scoping tests involving the simultaneous dissolution of UO₂ and ZrO₂.

The main test results are:

• The dissolution of UO₂ takes place in two stages: a first short saturation period with a rapid dissolution of the UO₂ and a second period during which there is a slower UO₂ dissolution accompanied by precipitation of a ceramic (U, Zr)O_2-x phase in the oxygen-saturated melt.
• The main cause of the discrepancy amongst the previous results was connected with different UO₂ crucible sizes (wall thickness), Uo₂/Zry mass ratios and melt surface to volume ratios (s/v) which influence the oxygen diffusion from crucible walls to the Zircaloy melt.
• First scoping tests on the simultaneous UO₂/ZrO₂ dissolution by molten Zry were carried out for comparison with separate UO₂ and ZrO₂ dissolution tests. They show a faster ZrO₂ dissolution rate and a larger extent of UO₂ and ZrO₂ dissolution than expected from separate dissolution tests. This could have an important bearing on the ZrO₂ failure criteria on Zircaloy cladding tubes.

• The UO₂ dissolution model confirms that most of the UO₂ liquefaction occurs rapidly (~250/350s) in the 1^st saturation phase up to the oxygen saturation of the melt given by the liquidus line at a given temperature. This confirms that this liquidus line can limit with a certain accuracy the UO₂ dissolution in severe accident codes. Minor dissolution occurs during the 2^nd precipitation phase, however, it can significantly increase under more realistic conditions of simultaneous UO₂ and ZrO₂ dissolution.
• First tests on the simultaneous UO₂ and ZrO₂ dissolution show a large increase of ZrO₂ dissolution rate and extent due to enhanced convective stirring of the melt in the presence of UO₂. A large increase of the UO₂ dissolution occurs due to a well pronounced precipitation stage in the presence of ZrO₂.

Zusammenfassung:

Dieser Bericht faßt die Aufgabe 2.3 des europäischen Projektes "Corium Interactions and Thermochemistry" (CIT) zusammen, die im Rahmen des 4. Rahmenprogrammes "Nuclear Fission Safety" der EG durchgeführt wurde. Der experimentelle Teil dieser Aufgabe wurde in der Zeit von 1997 bis 1999 in den Labors von AECL in Whiteshell (Kanada) im Auftrag des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt. Der analytische Teil der Aufgabe 2.3 erfolgte am Institut für nukleare Sicherheit der Russischen Akademie der Wissenschaften (IBRAE).

Die Auflösung von UO₂ durch flüssiges Zry (³ 1760°C) beeinflußt viele physikalisch-chemische Prozesse während der Kernzerstörung: (i) Verflüssigung von UO₂ ungefähr 1000°C unterhalb seines Schmelzpunkts, (ii) Verlagerung von (U, Zr, O) Schmelzen nach dem Versagen der äußeren ZrO₂-Schicht auf den Zircaloy-Hüllrohren und (iii) die Spaltproduktfreisetzung.

Um die widersprüchlichen Versuchsergebnisse in der Literatur zu verstehen, und die Ungenauigkeiten in den verschiedenen Brennstoff-Auflösungsmodellen zu verringern, wurden unterschiedliche UO₂-Auflösungsexperimente durchgeführt: (i) Isotherme UO₂-Auflösungstests bei 2100 und 2200°C und Reaktionszeiten bis zu 30 Min., (ii) zusätzliche Tests bei 2200°C, in denen der Tiegelboden durch eine chemisch stabile Y₂O₃ - Scheibe isoliert wurde und (iii) erste Versuche zur simultanen Auflösung von UO₂ und ZrO₂ durch flüssiges Zircaloy.

Die wesentlichen Versuchsergebnisse sind:

• Die Auflösung von UO₂ findet in zwei Phasen statt: eine erste kurze und schnelle Auflösungsgsphase bis zur Sauerstoffsättigung der Zircaloy-Schmelze und eine zweite Phase, in der die UO₂-Auflösung langsam fortschreitet und begleitet ist von einer Ausscheidung von keramischen (U, Zr)O_2-x – Partikeln in der sauerstoffgesättigten (U,Zr,O)-Schmelze.
• Die Hauptursache für die Diskrepanz bei den früheren Versuchsergebnissen war die Verwendung von unterschiedlich großen UO₂-Tiegeln mit verschiedenen Wandstärken, verschiedenen UO₂/Zry-Massenverhältnissen und verschiedenen Verhältnissen zwischen der Schmelzoberfläche und dem Schmelzvolumen (S/V), die alle die Sauerstoffdiffusion von der UO₂-Tiegelwand zur Zircaloy-Schmelze und damit die UO₂-Auflösung beeinflussen.
• Die ersten Experimente zur simultanen Auflösung von UO₂ und ZrO₂ durch flüssiges Zircaloy wurden zum Vergleich zu den separaten UO₂- und ZrO₂-Auflösungsexperimenten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine größere ZrO₂-Auflösungsrate und ein größeres Ausmaß an UO₂- und ZrO₂-Auflösung als von den Ergebnissen der Einzeleffektexperimente zu erwarten war. Diese Versuchsergebnisse können einen großen Einfluß auf das ZrO₂-Versagenskriterium besitzen.

• Das UO₂-Auflösungmodell bestätigt, daß die wesentliche Auflösung von UO₂ sehr schnell (~250/350s) in der sogenannten 1. Phase, der Sättigungsphase, stattfindet. Es kommt zu einer Sättigung der Schmelze, die durch die Liquiduslinie bei gegebener Temperatur bestimmt wird. Das bestätigt, dass durch die Liquiduslinie die UO₂-Auflösung in Codesystemen mit einer bestimmten Genauigkeit beschrieben werden kann. Eine geringere UO₂-Auflösung findet während der sogenannten 2. Phase, der Ausscheidungsphase, statt. Diese kann jedoch unter realistischeren Bedingungen der simultanen UO₂- und ZrO₂-Auflösung erheblich verstärkt werden.
• Die ersten Experimente zur simultanen Auflösung von UO₂ und ZrO₂ zeigen eine starke Zunahme der ZrO₂-Auflösungskinetik und eine verstärkte ZrO₂-Auflösung. Die Erklärung ist eine erhöhte Konvektion in der Schmelze in Gegenwart von gelöstem UO₂. Die Zunahme der UO₂-Auflösung erfolgt durch eine verstärkte Ausscheidungsphase in Gegenwart von ZrO₂.