Three-Dimensional
Analysis of Combustible Mixture Generation in an ITER-FEAT First-Wall Coolant
Leak Scenario
Abstract
Three-dimensional
distribution calculations are performed for the ITER-FEAT vacuum vessel,
the connected pressure suppression pool and drain tank. An ex-vessel/first-wall
coolant leak without plasma shutdown is simulated. The steam, hydrogen,
and air sources for this sequence are taken from best-estimate MELCOR calculations.
The time- and space-dependent gas distribution in the system is calculated
using the verified three-dimensional Computational Fluid Dynamics code
GASFLOW. A new extended version of GASFLOW has been developed to model
the ITER-FEAT specific phenomena in adequate detail.
During
the accident sequence, hydrogen initially appears only in the vacuum vessel
due to the steam/beryllium reaction. After failure of the burst membranes,
steam and hydrogen flow from the vacuum vessel through the connecting lines
to the suppression pool and the drain tank. Because of the ongoing steam
condensation occurring in the suppression pool, the pressure there remains
permanently at a lower level compared to the other components, resulting
in a continuous flow of steam and noncondensable gases into this volume.
Since no steam condensation is modeled in the drain tank, almost all H2
and N2 accumulate in the suppression pool cover gas volume.
After
10,500 s of steam flow, also air starts entering the vacuum vessel, with
the basic mechanisms remaining the same. Consequently, an accumulation
of N2 and O2 takes place in the suppression pool
cover gas. Combustible and explosive H2-O2-N2
mixtures exist after 13,600 s, and at 21,000 s a stoichiometric H2/O2
ratio has formed, involving 14 kg of hydrogen.
Contrary
to the situation in the suppression pool with its significant hydrogen
risk, only inert, steam dominated mixtures without hazard potential develop
in the vacuum vessel and the drain tank. Various passive mitigation measures
could be considered to reduce or completely remove the hydrogen risk in
the suppression pool.
Dreidimensionale Analyse zur Entstehung eines brennbaren Gasgemisches bei einem ITER-FEAT Unfallszenario mit Leck in der Ersten Wand
Zusammenfassung
Für den ITER-FEAT Vakuumbehälter und den damit verbundenen Druckabbau- und Drainage-Tank wurden dreidimensionale Verteilungsrechnungen durchgeführt. Dabei wird ein externes Kühlmittelleck in der Ersten Wand ohne Plasma-Zusammenbruch simuliert. Die Quellterme zum Unfallablauf für Dampf, Wasserstoff und Luft stammen aus "best-estimate" MELCOR-Rechnungen. Die Gasverteilung im System wird raum- und zeitabhängig mit dem überprüften CFD-Code GASFLOW berechnet. Um spezifische Prozesse bei ITER-FEAT Unfallszenarien in angemessenem Detail modellieren zu können, wurde eine neue erweiterte GASFLOW-Version entwickelt.
Wasserstoff tritt zu Beginn des Unfallablaufes nur im Vakuumbehälter aufgrund der Dampf/Beryllium-Reaktion auf. Nach dem Versagen der Berstscheiben strömen Dampf und Wasserstoff vom Vakuumbehälter durch die Verbindungsrohre in den Druckabbau- und den Drainage-Tank. Durch die Kondensation des Dampfes in der Wasservorlage des Druckabbau-Tanks bleibt der Druck dort stets niedriger als in den übrigen Systemkomponenten, was eine kontinuierliche Strömung von Dampf und nichtkondensierbaren Gasen in diesen Behälter bewirkt. Da im Drainage-Tank keine Dampfkondensation modelliert wird, reichern sich auf diese Weise die nichtkondensierbaren Gase fortlaufend im Gasvolumen des Druckabbau-Tanks an.
Nach 10,500 s kommt zur Dampfströmung unter Beibehaltung der grundlegenden Ablaufmechanismen noch der Lufteinbruch in den Vakuumbehälter hinzu. Dies führt zu einer Ansammlung von Stickstoff und Sauerstoff im Gasvolumen des Druckabbau-Tanks. Ab 13,600 s existiert ein brennbares und explosives H2-O2-N2-Gemisch. Nach 21,000 s hat sich ein stöchiometrisches H2/O2-Verhältnis mit einer Gesamtmenge von 14 kg Wasserstoff gebildet.
Im Gegensatz zur Situation im Druckabbau-Tank mit seinem erheblichen Wasserstoffrisiko entstehen im Vakuumbehälter und im Drainagetank nur inerte, überwiegend dampfhaltige Gemische ohne Gefährdungspotential. Verschiedene passive Gegenmaßnahmen könnten untersucht werden, um das Risiko im Druckabbau-Tank zu reduzieren oder ganz zu beseitigen.