Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6615
Experimental
and Calculational Results of the QUENCH-05 Test
L.
Sepold, C. Homann, W. Leiling, A. Miassoedov, D. Piel, G. Schanz,L. Schmidt, U.
Stegmaier, M. Steinbrück, H. Steiner
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-mm-diameter 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. The hydrogen that is produced during the
experiment by the zirconium-steam reaction is analyzed by three different
instruments: two mass spectrometers and a ”Caldos 7 G” hydrogen measuring
device (based on the principle of heat conductivity). This report describes the results of test
QUENCH-05 performed in the QUENCH test facility at the Forschungszentrum
Karlsruhe on March 29, 2000. The objective of the experiment QUENCH-05 was the
investigation of pre-oxidized rod cladding on cooldown by steam. This
experiment could be compared to test QUENCH-04 which was conducted without
preoxidation. The
experiment consisted of a heatup phase to temperature plateau of around 900 K,
a preoxidation phase at ~1473 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 0.32 K/s in the
temperature range 1445 – 1740 K to the temperature excursion which led to a
maximum rod cladding temperature of 2272 K at the 750 mm level (TFS 5/11). For
cooling the test bundle, steam was injected at the bottom of the test section
at a rate of 50 g/s. The steam injection led to undelayed cooling of the rods;
all rod cladding temperatures began to drop within one second. The total amount of hydrogen released during the
QUENCH-05 experiment was 27 g. Of the 26 g, ~4 g is estimated for the first
heatup phase, ~12 g for the pre-oxidation phase, ~9 g for the transient phase,
and only ~1 g for the cooling phase. After the test the shroud exhibited a localized
failure zone between 900 mm and 1010 mm elevation. Only a limited local melt
formation was observed in the test bundle itself. The maximum oxide layer thickness measured at
950 mm elevation amounted to ~420 µm (mean value of all fuel rod simulators).
Prior to the cooldown by steam, i.e. in the middle of the transient, the ZrO2
layer thickness had a maximum of ~160 µm at the same level. The latter data
were obtained from corner rod B which was withdrawn from the test bundle at
~1620 K. Calculations with the FZK code CALUMO were performed to study the
oxidation behavior of fuel simulator cladding and shroud. To achieve a
satisfactory agreement between the calculational results of the CALUMO code
(with respect to the evolution of the oxidation) and the experimental findings
of QUENCH-05 it was necessary to considerably increase the heat transfer values
of fuel rod simulator/coolant below 750 mm.
Experimentelle und analytische Ergebnisse des Versuchs
QUENCH-05
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 je 100 mm angeordnet. Der
während des Versuchs durch die Zirkonium-Dampf-Reaktion gebildete Wasserstoff
wird mit Hilfe von drei Messgeräten analysiert: zwei Massenspektrometer und ein
„Caldos-7G“- Analysegerät (Wärmeleitfähigkeits-Messprinzip). In
diesem Bericht sind die Ergebnisse des Experiments QUENCH-05, das am 29. März
2000 in der QUENCH-Versuchsanlage des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt
wurde, beschrieben. Ziel des Versuchs QUENCH-05 war die Untersuchung des
Verhaltens von voroxidierten LWR-Brennstäben während der Kühlung eines
Brennstabbündels mit Dampf anstelle von Wasser im Vergleich zum Experiment
QUENCH-04, das ohne Voroxidation durchgeführt wurde. 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 Voroxidations-Phase bei einer Temperatur von
ca. 1473 K, einer transienten (Aufheiz-) Phase und einer Abschreck- bzw.
Quench-Phase. In der transienten Phase wurde das Versuchsbündel mit einer Rate
von 0,32 K/s (1445 - 1740 K, TCRC 13) aufgeheizt. Die maximale
Stab-Hüllrohrtemperatur von 2272 K wurde in der Ebene 750 mm (TFS 5/11)
gemessen. Zur Abschreckung des Versuchsbündels wurde Dampf einer mittleren Rate
von 50 g/s von unten in die Teststrecke eingeleitet. Die Dampfeinspeisung
führte zu einem unverzüglichen Abkühlen des Stabbündels; innerhalb einer
Sekunde fielen alle Stabtemperaturen ab. Die gesamte
freigesetzte Wasserstoffmenge während des Versuchs QUENCH-05 wurde zu 26 g
ermittelt. Davon wurden ca. 4 g während der ersten Aufheizphase, 12 g während
der Voroxidation, ca. 9 g während der Transiente und nur etwa 1 g während der
Kühlphase gebildet. Nach dem Experiment konnte man
zwischen 900 und 1010 mm Bündelhöhe eine deutlich ausgeprägte
Shroudversagensstelle erkennen. Im Testbündel selbst gab es nur lokal
auftretende Schmelzphasen. Die maximale Oxidschichtdicke wurde
bei Bündelkote 950 mm zu ~420 µm (mittlerer Wert aller Brennstabsimulatoren)
bestimmt. Vor der Endphase der Transiente und dem Abkühlen mit Dampf betrug der
Wert ~160 µm (auf der Grundlage des bei ~1620 K gezogenen Zircaloy-Eckstabs B).
Zum Oxidationsverhalten von Brennstabsimulatorhülle und
Shroud wurden Rechnungen mit dem FZK-eigenen Rechenprogramm CALUMO durchgeführt.
Um eine befriedigende Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen mit dem
CALUMO-Rechenprogramm (im Hinblick auf die Entwicklung der Oxidation) und den
experimentellen Ergebnissen von QUENCH-05 zu bekommen, war es notwendig, die
Wärmeübergangswerte Brennstabsimulatoren/Kühlmittel unterhalb 750 mm deutlich
zu erhöhen.
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