Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6412

Investigation of an Overheated PWR-Type Fuel Rod Simulator Bundle Cooled Down by Steam

L. Sepold, P. Hofmann, C. Homann, W. Leiling, A. Miassoedov, D. Piel, G. Schanz, L. Schmidt, U. Stegmaier, M. Steinbrück, H. Steiner, A.V. Palagin, A.V. Boldyrev, A.V. Berdyshev, V.E. Shestak, M.S. Veshchunov

Abstract
The QUENCH experiments are to investigate the hydrogen source term that results from the water injection into an uncovered core of a Light-Water Reactor (LWR).

The test bundle is made up of 21 fuel rod simulators with a length of approximately 2.5 m. 20

fuel rod simulators are heated over a length of 1024 mm, the one unheated fuel rod simulator is located in the center of the test bundle. Heating is carried out electrically using 6-mmdiameter tungsten heating elements installed in the center of the rods and surrounded by annular ZrO2 pellets. The rod cladding is identical to that used in LWRs: Zircaloy-4, 10.75 mm outside diameter, 0.725 mm wall thickness. The test bundle is instrumented with thermocouples attached to the cladding and the shroud at 17 different elevations with an axial distance between the thermocouples of 100 mm.

During the entire test up to the cooldown phase, superheated steam together with the argon as carrier gas enters the test bundle at the bottom end and leaves the test section at the top together with the hydrogen that is produced in the zirconium-steam reaction. The hydrogen is analyzed by three different instruments: two mass spectrometers and a ”Caldos 7 G” hydrogen measuring device (based on the principle of heat conductivity).

Part I of this report describes the results of test QUENCH-04 performed in the QUENCH test facility at the Forschungszentrum Karlsruhe on June 30, 1999. The objective of the experiment QUENCH-04 was to investigate the reaction of the non-preoxidized rod cladding on cooldown by steam rather than quenching by water.

The experiment consisted of a heatup phase to temperature plateau of around 900 K, a transient phase, and a cooldown phase. All phases were conducted in an argon/steam atmosphere. At the beginning of the transient phase the test bundle was ramped at around 0.35 K/s in the temperature range 900 – 1400 K and 1.0 K/s from 1400 K to the temperature excursion which led to a maximum rod cladding temperature of 2340 K. For cooling the test bundle, steam was injected at the bottom of the test section at a mean rate of 50 g/s (steam velocity: 15 - 20 m/s). This steam rate was so effective that the test bundle was cooled down for about 1000 K within around 20 s.

The total amount of hydrogen released during the QUENCH-04 experiment was 12 g. Most of it has been produced during the transient and only a small portion during the cooldown.

After the test the shroud showed a localized molten zone between 930 mm and 1000 mm probably caused by close contact of test rods with the shroud. In this region the rods were severely displaced. Melt formation was only observed within rods but not in the test bundle.

The maximum oxide layer thickness measured at the rod cladding # 19 amounted to 170 _m at around 950 mm elevation. Prior to the temperature escalation and cooldown by steam, i.e. in the middle of the transient, the ZrO2 layer thickness had a maximum of ~85 _m at the same level. The latter data were obtained from corner rod B which was withdrawn from the test bundle at ~1780 K..

Posttest calculations were performed with the CALUMO computer code to investigate the oxidation behavior of the fuel rod claddings and the shroud as well as the hydrogen production.

Part II of the present report deals with the results of the SVECHA/QUENCH (S/Q) code application to the FZK QUENCH bundle tests. The adaptation of the S/Q code to such kind of calculations is described. The numerical procedure of the recalculation of the temperature test data, and the preparation for the S/Q code input is presented. In particular, the results of the QUENCH-01 and QUENCH-04 test simulations are discussed.

The main attention was paid to the central rod temperature history modeled for every phase of the tests, i.e. from the pre-oxidation up to the flooding, since it strongly influences progression of other processes.

The main results were obtained for the central rod. However, some results such as the hydrogen generation rate and the total hydrogen production were extrapolated to the whole bundle in order to compare the calculations with integral values measured by the mass spectrometer.



Untersuchung eines überhitzten DWR-Brennnstabsimulator-Bündels unter Abkühlung mit Dampf

Zusammenfassung
In den QUENCH-Versuchen soll der Wasserstoffquellterm bei der Einspeisung von Notkühlwasser in einen trockenen, überhitzten Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors (LWR) ermittelt werden.

Das QUENCH-Testbündel ist mit 21 Brennstabsimulatoren bestückt und hat eine Gesamtlänge von ca. 2,50 m. 20 Brennstabsimulatoren sind auf einer Länge von 1024 mm beheizt, der Zentralstab ist unbeheizt. Als Heizer werden Wolfram-Stäbe von 6 mm Durchmesser verwendet, die im Zentrum der Brennstabsimulatoren angeordnet und von ZrO2-Ringtabletten umgeben sind. Die Stabhüllen sind identisch mit LWR-Hüllrohren: Zircaloy-4, 10,75 mm Außendurchmesser und 0,725 mm Wanddicke. Testbündel und Shroud sind mit Thermoelementen instrumentiert. Sie sind auf 17 Messebenen im Abstand von 100 mm angeordnet.

Während des gesamten Tests bis zur Abkühlphase wird überhitzter Dampf zusammen mit Argon als Trägergas am unteren Ende in die Teststrecke eingespeist und verlässt diese zusammen mit dem Wasserstoff, der sich durch die Zirkonium-Dampf-Reaktion gebildet hat, am oberen Ende. Der Wasserstoff wird mit Hilfe von drei Messgeräten analysiert: zwei Massenspektrometer und ein „Caldos-7G“-Analysegerät (Wärmeleitfähigkeits-Messprinzip).

In Teil I dieses Berichts sind die Ergebnisse des Experiments QUENCH-04, das am 30. Juni 1999 in der QUENCH-Versuchsanlage des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt wurde, beschrieben. Ziel des Versuchs QUENCH-04 war die Untersuchung des Verhaltens von nicht voroxidierten LWR-Brennstäben während der Kühlung eines Brennstabbündels mit Dampf anstelle von Wasser.

Das Experiment lief mit folgenden Versuchsphasen ab: einer Anfahr- oder Aufheizphase, um das Gesamtsystem bei ca. 900 K Bündeltemperatur ins thermische Gleichgewicht zu bringen, einer transienten (Aufheiz-) Phase und einer Abschreck- bzw. Quench-Phase. In der transienten Phase wurde das Versuchsbündel mit einer Aufheizrate von 0,35 K/s (900 – 1400 K) bzw. 1,0 K/s (1400 K bis zur Temperatureskalation) auf die maximale Stab- Hüllrohrtemperatur von ~2340 K gebracht. Zur Abschreckung des Versuchsbündels wurde Dampf mit einer mittleren Rate von 50 g/s von unten in die Teststrecke eingeleitet (Dampfgeschwindigkeit: 15 - 20 m/s). Die Dampfkühlung war unter diesen Bedingungen so effektiv, dass das Versuchsbündel in ca. 20 Sekunden um etwa 1000 K abgekühlt wurde.

Die gesamte freigesetzte Wasserstoffmenge während des Versuchs QUENCH-04 wurde zu 12 g ermittelt. Davon wurde der Hauptanteil während der Transiente und nur ein kleiner Anteil während der Flutphase gebildet.

Nach dem Experiment zeigte sich am Shroud eine lokale Schmelzzone zwischen 930 und 1000 mm Bündelhöhe, die durch den Kontakt einiger Stäbe mit dem Shroud hervorgerufen worden war. In diesem Bereich waren die Teststäbe stark verformt. Im Testbündel kam es nur im Innern von Teststäben zur Bildung und Verlagerung von Schmelzphasen.

Am Hüllrohr des Stabs Nr. 19 wurde eine maximale Oxidschichtdicke von 170 _m bei Bündelkote 950 mm gemessen. Vor der Temperatureskalation und dem Abkühlen mit Dampf betrug der Wert 85 _m (auf der Grundlage des bei ~1780 K gezogenen Zirkaloy-Eckstabs B).

Nachrechnungen mit dem CALUMO-Rechenprogramm wurden durchgeführt, um das Oxidationsverhalten der Brennstabsimulatoren und des Shrouds sowie die Wasserstoffproduktion zu untersuchen.

Teil II dieses Berichts behandelt die Ergebnisse der Anwendung des SVECHA/QUENCH (S/Q)-Rechenprogramms auf die Ergebnisse der FZK-QUENCH-Experimente. Die Angleichung des S/Q-Rechenprogramms an diese Art von Rechnungen wird beschrieben. Die numerische Behandlung der Nachrechnung der Temperatur-Versuchsdaten und die Anfertigung der S/Q-Programm-Eingabe werden präsentiert. Insbesondere werden die Ergebnisse bezüglich der Versuche QUENCH-01 and QUENCH-04 diskutiert.

Das Hauptgewicht der Arbeiten wurde auf den zeitlichen Verlauf der Zentralstab-Temperatur gelegt. Sie wurde für jede Versuchsphase, d. h. von der Voroxidation bis hin zur Flutphase, modelliert; denn ihr Verlauf beeinflusst deutlich den Ablauf anderer Prozesse.

Obgleich die wesentlichen Ergebnisse der Arbeiten die des Zentralstabs sind, werden doch einige Ergebnisse, wie die Wasserstoff-Erzeugungsrate und die Gesamtmenge des erzeugten Wasserstoffs, auf das gesamte Stabbündel extrapoliert, um die Rechnungen mit den Messwerten des Massenspektrometers zu vergleichen.



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