Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6664

Experimental and Computational Results of the QUENCH-06 Test (OECD ISP-45)

L. Sepold, W. Hering, C. Homann, A. Miassoedov, G. Schanz, U. Stegmaier, M. Steinbrück, H. Steiner, J. Stuckert

Abstract
The QUENCH experiments are to investigate the hydrogen source term that results from the water or steam injection into an uncovered core of a Light-Water Reactor (LWR). The QUENCH-06 experiment performed in the QUENCH facility at the Forschungszentrum Karlsruhe (Karlsruhe Research Center) on 13 December, 2000 was to investigate the behavior of pre-oxidized LWR fuel rods on cooling down with water from the bottom. This test is used as an OECD International Standard Problem (ISP-45) for blind and open calculations to assess the quality of severe accident codes. The test was planned to be as similar to QUENCH-05 as possible except that the bundle was quenched with water and not cooled down with steam. 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. The rod cladding is identical to that used in LWRs: Zircaloy-4, 10.75 mm outside diameter, 0.725 mm wall thickness. Heating is carried out electrically using 6-mm-diameter tungsten heating elements, which are installed in the center of the rods and which are surrounded by annular ZrO2 pellets. The test section is instrumented with thermocouples (TC) that are attached to the cladding, the shroud, and the cooling jackets at elevations between -250 mm and 1350 mm. Besides, inside the central rod three centerline TCs and two cladding inner surface TCs were installed, and three centerline TCs were mounted inside three of the four corner rods. The hydrogen is analyzed by three different instruments: a state-of-the-art mass spectrometer Balzers “GAM300”, a commercialtype hydrogen analyzer “Caldos 7 G” that is based on the measurement of heat conduction, and a second, simpler mass spectrometer Balzers “Prisma” which was located close to the Caldos analyzer.

The superheated steam and argon as carrier gas for the detection of hydrogen enter the test bundle at the bottom and leave it at the top together with the hydrogen that is produced in the zirconium-steam reaction. As in the previous QUENCH experiments, the bundle was heated by a series of stepwise increases of electrical power from room temperature to ~873 K in an atmosphere of flowing argon (3 g/s) and steam (3 g/s). The bundle was stabilized at this temperature with the electrical power being ~4 kW.

At the end of the stabilization period the bundle was ramped by stepwise increases in power up to about 11 kW to reach ~1473 K, the target temperature for pre-oxidation. This temperature was maintained for about 4600 s by control of the electrical power to reach a desired oxide layer thickness of about 200 µm. At the end of the pre-oxidation period the bundle was ramped at 6 W/s. With this power ramp the transient heatup rate was identical to that of the QUENCH-05 experiment, i.e. 0.32 K/s between 1450 K and 1750 K (on the basis of TCRC 13, level 950 mm). Moderate temperature excursions occurred between the 750 and 950 mm elevation. From that time on the hydrogen release increased significantly. The quench phase was initiated when pre-defined criteria similarly to QUENCH-05 were reached. The maximum measured temperature was 2150 K at the 750 mm level (TFS 2/11) coinciding with the quench initiation.

Within 5 s 4 kg of water were pre-injected to fill the lower part of the test section. At the same time the quench pump was started to inject water into the bottom of the test section at a rate of ~40 g/s which corresponds to a flooding velocity of 1.4 cm/s at the bottom of the test section. Different from planning the experiment the main quench water entered the bundle with a delay of about 40 s. Therefore the bundle was flooded in two stages, firstly by a first water injection and then by the main quench water injection.

26 s after the beginning of the quench phase the electrical power was reduced from 18.2 kW to 4 kW within 16 s. The 4 kW level is to simulate the decay heat. Cooling of the test section was completed within ~255 s; the water flow and the electrical power were then shut off, terminating the experiment.

The total hydrogen production measured by the three devices resulted in around 35 g with a maximum H2 release rate of 0.24 g/s. Of the 35 g, ~2 g are estimated for the quenching phase. This compares with 1 g for the steam-cooling phase in the QUENCH-05 test.

After the experiment the QUENCH-06 bundle in total and the Zircaloy rod cladding appeared nearly intact up to ~850 mm elevation. Up to this elevation the shroud was only slightly oxidized whereas a localized molten zone is found between ~870 mm and ~1010 mm. No essential melt formation was observed in the test bundle itself. So, the final state of the bundle demonstrates an essentially intact bundle geometry, whereas considerable cracking and some fragmentation of clad and ZrO2 pellets occurred during the phase of water quenching.

The oxidation and hydrogen behavior was investigated with the FZK code CALUMO. The results of the code are in the overall coherent with the experimental findings. However, the CALUMO bundle code calculations could not provide a perfect simulation of the experiment QUENCH-06.

Thermal hydraulic calculations were made with the in-house version of SCDAP/RELAP5mod

3.2 to define experimental parameters of the QUENCH experiment and to interpret the experimental results after the experiment.

Experimentelle und analytische Ergebnisse des Versuchs QUENCH-06 (OECD Internationales Standardproblem ISP-45)

Zusammenfassung
In den QUENCH-Versuchen soll der Wasserstoffquellterm bei der Einspeisung von Notkühlwasser in einen trockenen, überhitzten Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors (LWR) ermittelt werden. Mit dem Experiment QUENCH-06, das am 13. Dezember 2000 in der QUENCH-Versuchsanlage des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt wurde, sollte das Verhalten von voroxidierten LWR-Brennstäben während des Abschreckens mit Wasser (Einspeisung von unten) untersucht werden. Der Test QUENCH-06 wurde bis auf die Einspeisung mit Wasser statt des Dampfes ganz ähnlich dem QUENCH-05-Experiment durchgeführt und dient ferner als Grundlage für Blindrechnungen mittels Rechenprogrammen zum LWR-Störfallverhalten (deklariert als OECD Internationales Standardproblem ISP-45).

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-Ringtablet-ten umgeben sind. Die Stabhüllen sind identisch denen der LWR-Hüllrohre: Zircaloy-4, 10,75 mm Außendurchmesser und 0,725 mm Wanddicke. Die Teststrecke ist mit Thermoelementen (TE) instrumentiert. Sie sind auf Messebenen zwischen –250 und 1350 mm an den Stabhüllen, dem Shroud und dem Kühlmantel befestigt. Zusätzlich waren im Zentralstab drei Zentral-TE und zwei TE auf der Hüllinnenseite montiert. In drei von vier Eckstäben war ebenfalls je ein Zentral-TE angebracht.

Während der Aufheizphase oder Transiente wird überhitzter Dampf zusammen mit Argon als Trägergas für die Wasserstoffanalyse am unteren Ende in die Teststrecke eingespeist und verlässt diese zusammen mit dem Wasserstoff, der sich durch die Zirkonium-Dampf-Reak-tion gebildet hat, am oberen Ende. Der Wasserstoff wird mit Hilfe von drei Messgeräten analysiert: zwei Massenspektrometer und ein „Caldos-7G“-Analysegerät, das nach dem Wärmeleitfähigkeits-Messprinzip arbeitet.

Wie in den vorangegangenen Experimenten wurde das Versuchsbündel durch stufenweise Erhöhung der elektrischen Leistung von Raumtemperatur auf eine Bündeltemperatur von ~873 K gebracht. Im thermischen Gleichgewicht betrug die Leistung etwa 4 kW. Die Atmosphäre im Bündel bestand aus einem Dampf und Argonstrom von jeweils 3 g/s. Am Ende der Stabilisierungsphase wurde die Leistung stufenweise bis auf ca. 11 kW erhöht, um die Zieltemperatur für die Voroxidation von ~1473 K zu erreichen. Mit Hilfe der elektrischen Leistungsregelung wurde die Temperatur etwa 4600 s lang gehalten, um die gewünschte Oxidschichtdicke von rund 200 µm zu erreichen. Am Ende der Voroxidationsphase wurde die Leistung linear um 6 W/s angehoben. Diese Leistungssteigerung erbrachte eine zum Versuch QUENCH-05 identische Aufheizrate von 0,32 K/s (zwischen 1450 und 1750 K auf der Grundlage des TCRC 13-TE bei 950 mm Höhe). Während der transienten Phase kam es zu moderaten Temperatureskalationen zwischen 750 und 950 mm Höhe. Ab der Zeit stieg die Wasserstoffproduktion sichtbar an. Die Abschreckphase wurde unter den gleichen Bedingungen, die für den Versuch QUENCH-05 vorgegeben waren, ausgelöst. Zum Zeitpunkt der Auslösung wurde eine maximale Stab-Hüllrohrtemperatur von ~2150 K bei 750 mm (TFS 2/11) erreicht.

Um den Teststreckeneinlauf vorzufüllen, wurden rund 4 kg Wasser innerhalb von 5 s eingespeist. Zum gleichen Zeitpunkt wurde die Quenchpumpe gestartet, um Wasser mit einer mittleren Rate von 40 g/s von unten in die Teststrecke einzuleiten (Dieser Mengenstrom entspricht einer Flutgeschwindigkeit von 1,4 cm/s am unteren Ende der Teststrecke). Anders als geplant erreichte das Hauptflutwasser das Testbündel mit einer Verzögerung von ca. 40 s. Deshalb fand die Abschreckung des Bündels in zwei Phasen statt: einer ersten und einer Haupt-Einspeisung.

26 s nach dem Beginn der Abschreckphase wurde die elektrische Leistung von 18,2 auf 4 kW innerhalb von 16 s reduziert. Das Niveau von 4 kW soll die Nachwärme eines LWR-Bündels simulieren. Nach ~255 s wurden die Wassereinspeisung und die elektrische Leistung abgeschaltet und das Experiment damit beendet.

Die gesamte freigesetzte Wasserstoffmenge während des Versuchs QUENCH-06 wurde mit den drei Messgeräten zu 35 g ermittelt, wobei die H2-Freisetzungsrate 0,24 g/s betrug. Von den 35 g wurden etwa 2 g während der Flutphase gebildet. Der Wert kann mit 1 g des Versuchs QUENCH-05 verglichen werden.

Nach dem Experiment war das QUENCH-06-Bündel insgesamt (und damit auch die Zircaloy-Hüllrohre) bis zu einer Höhe von ~850 mm in intaktem Zustand. Bis zu dieser Höhe war der Shroud nur leicht oxidiert. Zwischen ~870 mm and ~1010 mm hatte sich am Shroud eine lokal ausgeprägte Schmelzzone gebildet. Im Bündel selbst kam es zu keiner wesentlichen Schmelzebildung. Somit weist der Endzustand des Bündels eine intakte Bündelgeometrie auf. Die Quenchphase mit Wasser führte jedoch zu erheblicher Rissbildung und Fragmentierung von Stabhüllen und ZrO2 Tabletten.

Das Oxidationsverhalten und die damit verbundene Wasserstofffreisetzung wurden nach dem Experiment mit dem FZK-Rechenprogramm CALUMO untersucht. Insgesamt waren die Rechenergebnisse in guter Übereinstimmung mit den Testdaten. Allerdings konnten die CALUMO-Rechnungen das Experiment QUENCH-06 nicht perfekt simulieren.

Thermohydraulik-Rechnungen mit der eigenen Version des Rechenprogramms SCDAP/RELAP5mod 3.2 wurden durchgeführt, um die experimentellen Einflussgrößen des QUENCH-Experiments zu definieren und die experimentellen Ergebnisse nach der Versuchsdurchführung zu interpretieren.

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