Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6591
Low Pressure Corium Dispersion Experiments in the DISCO Test
Facility with Cold Simulant Fluids
L. Meyer, M. Gargallo, M. Kirstahler, M. Schwall, E. Wachter,
G. Wörner
Abstract
In
a severe accident special pressure relief valves in the primary circuit of
German Pressurized Water Reactors (PWR) will transfer a high pressure accident
into a low pressure scenario. However, there may be a time window during late
in-vessel reflooding scenarios where the pressure is
in the order of 1 or 2 MPa at the moment of the
reactor vessel rupture. A failure in the bottom head of the reactor pressure
vessel, followed by melt expulsion and blowdown of
the reactor cooling system, might disperse molten core debris out of the
reactor pit, even at such low pressures. The mechanisms of efficient
debris-to-gas heat transfer, exothermic metal/oxygen reactions, and hydrogen
combustion may cause a rapid increase in pressure and temperature in the
reactor containment. Integral experiments are necessary to furnish data for modeling these processes in computer codes, that will be
used to apply these result to the reactor case. The
acquired knowledge can lead to realize additional safety margins for existing
or future plants.
The
test facility DISCO-C (DIspersion of Simulant COrium – Cold)
models the annular reactor cavity and the subcompartments
of a large European reactor in a scale 1:18. The fluid dynamics of the
dispersion process was studied using model fluids, water or bismuth alloy
instead of corium, and nitrogen or helium instead of steam. The effects of
different breach sizes and locations, and different failure pressures on the
dispersion were studied, specifically by testing central holes, lateral holes,
horizontal rips, and complete ripping of the bottom head.
22
experiments were performed in a basic cavity geometry
with holes at the bottom of the lower head to study the similarity relations. Variables
were the hole diameter, the initial pressure in the
RPV and the fluids used. The only flow path out of the reactor pit was the
annular gap between the inner wall of the reactor pit and the RPV, and then
along the main coolant lines into the subcompartments.
Dispersal rates between 0% with small holes (0.3 m scaled) and low pressure
(0.3 MPa) and 78% with large holes (0.9 m) and higher
pressures (≥ 1 MPa) were observed. A certain
amount of liquid (approximately 25% of 0.0034 m³) is trapped in the space near
the RPV support structure, independent of the initial conditions. The dispersed
fractions are lower with metal than with water, but still high. The results concerning
the dispersed fractions could be correlated by the Kutateladze
number Ku = ρGuG2 /(ρL g σ)1/2, with uG,
the maximum gas velocity in the annular space around the RPV, for all hole
sizes, both driving gases, nitrogen and helium, and both liquids, water and
Bi-alloy, with fd = 0.4 log10(Ku) ≤
0.76. The Kutateladze number represents the
conditions to levitate drop-lets against gravity. No sharp threshold velocity
or pressure could be found, below which no dispersion occurred. From the
similarity correlations we can deduce that the results from the liquid metal
tests represent the lower bound for the dispersed melt fractions in the reactor
case.
In
a second test series the effect of the position and the shape of the breach in
the lower head was investigated. Four different
opening were studied: two different hole sizes at an
angle of 45 degrees, one horizontal slot, and the unzipping and tilting of the
lower head. With lateral breaches the liquid height in the lower head relative
to the upper and lower edge of the breach is an additional parameter for the
dispersion process. In most cases not all the liquid is discharged out of the
RPV. If the initial liquid level is above the upper edge, the blowdown starts with the single-phase liquid discharge,
driven by the pressure difference between vessel and cavity, as for central
holes. However, the gas blowthrough occurs earlier
than with central holes. In the subsequent stage the liquid is carried out of
the lower head by entrainment. The gas velocity, the density ratio of gas and
liquid, the surface area of the liquid pool, and the duration of the blowdown govern this entrainment process. Therefore, the
entrained liquid fraction can be higher with a small breach than with a large
one, because the blowdown time is longer while the
maximum velocity may be the same.
Shifting
the break from the central position towards the side of the lower head leads to
a smaller dispersion of liquid, even if the dispersed fraction is related only
to the liquid mass that has been ejected out of the RPV. The main effect is
probably the circumferential component of the velocity in the cavity. With
lateral failures maximum dispersed fractions of 48% were found with water as
melt simulant and less than 1% with liquid metal.
As
for the central breaches, we can make the cautious statement, that taking the
known similarity correlations, the results from the liquid metal tests
represent the lower bound for the dispersed melt fractions, however, they are
probably closer to the expected values than the results from the water tests,
that represent the upper bound. So, significantly less dispersion of melt can
be expected for lateral breaches at pressures below 2 MPa,
probably less than 10%. If higher dispersion occurs, due to higher pressure at
failure, simple devices to mitigate the dispersion out of the cavity may be
feasible. For the investigation of thermal and chemical effects, experiments
with alumina-iron melt and steam will be performed in a similar geometry.
Experimente zur Dispersion der Kernschmelze bei niedrigem
Druck in der DISCO Anlage mit kalten Modellfluiden
Zusammenfassung
Das Versagen des RDB
unter vollem Systemdruck wird durch systemtechnische Maßnahmen verhindert. Ein
Versagen bei einem zu unterstellenden Druck von 1 bis 2 MPa kann u.U. noch zu
starker Dispersion und Umverteilung der Schmelze in die Reaktorräume und den
Dom und damit zur direkten Aufheizung der Containmentatmosphäre führen. Das
Zusammenwirken der hierbei auftretenden Materialtransportprozesse sowie der
thermischen und chemischen (Wasserstofferzeugung und -verbrennung)
Wechselwirkungen ist komplex und kann derzeit mit Computercodes noch nicht oder
nur bedingt berechnet werden. Notwendig sind daher Einsichten und Daten aus
experimentellen Untersuchungen, insbesondere auch integrale Experimente, deren
Ergebnisse mit Modellen und Coderechnungen auf die Reaktorgeometrie übertragen
werden können. Das Hauptziel der Untersuchungen ist die Bestimmung eines
maximal zulässigen Druckes zum Zeitpunkt des RDB-Versagens, bei dem keine relevante
Dispersion der Schmelze auftritt, im Zusammenspiel mit einer für dieses Ziel
optimierten Grubengeometrie.
Im Versuchsstand
DISCO-C (DIspersion of Simulant COrium – Cold), der die Reaktorgrube und
die anschließenden Räume eines großen europäischen Reaktors im Maßstab 1:18 modelliert,
wurde der erste Teil des Versuchsprogrammes mit kalten Modellfluiden durchgeführt,
um die fluiddynamischen Prozesse zu studieren. Als Modellflüssigkeit für die
Schmelze diente Wasser und eine Blei-Wismuthlegierung, und anstelle von Dampf
wurde Stickstoff und Helium verwendet. Als Versagensart wurden runde Löcher
verschiedener Größe am Boden und an der Seite der RDB-Kalotte, und seitliche
Risse bis zum totalen Abriss der ganzen Kalotte untersucht.
Zum Studium der
Ähnlichkeitsbeziehungen wurden an DISCO-C 22 Experimente mit einer
Basisgeometrie unter Variation der Fluide, des Versagensdruckes und der
Lochgröße durchgeführt. Die Basisgeometrie ist definiert durch zentrale Löcher
in der RDB-Kalotte und einen einzigen Strömungspfad aus der Grube entlang den
Hauptkühlmittelleitungen in die Pumpen- und Dampferzeugerräume. Die ausgetragenen
Flüssigkeitsmassen betragen zwischen 0% bei kleinen Löchern (0.3 m Durchmesser
skaliert) und niedrigen Versagensdrücken (0.3 MPa) und 78% bei großen Löchern
(0.9 m) und höheren Drücken (1 MPa). Eine bestimmte Flüssigkeitsmenge lagert
sich in dem Ringraum am RDB-Auflager ab, was bei dem verwendeten Gesamtvolumen
von 0.0034 m³ (entspricht 20 m³ skaliert) ca. 25 % entspricht. Bei kleineren
Flüssigkeitsvolumen steigt der im Ringraum abgelagerte Anteil entsprechend. Aus
den gemessenen Druckverläufen im RDB und der Grube kann eine mittlere
Gasgeschwindigkeit im Grubenringspalt berechnet werden. Mit dem maximalen Wert
dieser Geschwindigkeit, den Dichten des Gases und der Flüssigkeit und der
Oberflächenspannung kann eine Kutadeladse-Zahl, Ku = ρG uG2/(ρL
g σ)1/2 , gebildet werden. Die Austragsraten für alle Stoffkombinationen,
Lochgrößen und Versagensdrücke lassen sich gut mit dieser Ähnlichkeitszahl
korrelieren. Allerdings gilt das nur für gleiche Grubengeometrien und gleiche
Schmelzemassen. In einer zweite Versuchsserie wurde der Einfluss der Position
und der Form des RDB-Versagens untersucht. Außerdem wurden spezielle
Grubengeometrien untersucht, u.a. auch eine Vorrichtung, die den
Schmelzeaustrag reduziert. Das seitliche Versagen wurde mit vier verschiedenen
Öffnungen simuliert; zwei Löcher mit 25 mm und 50 mm Durchmesser unter einem
Winkel von 45°, ein horizontaler Schlitz mit der Fläche eines 25 mm Loches, und
ein Abkippen der Kalotte. Für zentrale Löcher am Boden waren die beiden
wichtigsten Parameter für den Dispersionsprozess die Lochgröße und der
Versagensdruck. Bei seitlichem Versagen gibt es einen zusätzlichen Parameter;
das ist die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in der Kalotte in Bezug auf die obere
und die untere Kante der Versagensöffnung. In den meisten Fällen wird nur ein
Teil der Flüssigkeit aus dem RDB ausgetragen. Wenn der Flüssigkeitsspiegel
anfangs über der Oberkante liegt, beginnt der Austrag mit einer einphasigen
Flüssigkeitsströmung, getrieben von der Druckdifferenz zwischen RDB und Grube,
wie bei zentralen Löchern. Allerdings findet der Gasdurchbruch bzw. der
Übergang auf zweiphasiges Ausströmen früher statt. In der folgenden Phase wird
die Flüssigkeit durch Entrainment aus dem RDB ausgetragen. Neben der
Gasgeschwindigkeit bestimmen das Dichteverhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit,
die Oberfläche des Flüssigkeitspools und die Dauer des Gasaustritts den
Entrainmentprozess. So kann der Flüssigkeitsanteil, der durch Entrainment
ausgetragen wird, bei einem kleinen Loch größer sein als bei einem großen Loch,
da die Ausblaszeit länger, aber die maximalen Gasgeschwindigkeiten ähnlich
sind. Wird die Versagensöffnung von der zentralen Position an die Seite
verlegt, so reduziert sich der Flüssigkeitsaustrag aus der Reaktorgrube, auch
wenn man den ausgetragenen Anteil nur auf die Flüssigkeitsmasse bezieht, die
aus dem RDB ausgetreten ist. Die Hauptursache ist wahrscheinlich die vorhandene
Umfangskomponente der Geschwindigkeit in der Grube. Bei seitlichem Versagen
führt eine größere Öffnung nicht notwendigerweise zu einem größeren
Schmelzeaustrag aus der Grube. Für Versagensdrücke bis zu 1.6 MPa wurden maximale
Dispersionsanteile von 48% mit Wasser und 1% mit Flüssigmetall gemessen.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK