Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6673

Untersuchung zum Sicherheitskonzept des MEGAPIE Targets in der Spallations-Neutronenquelle SINQ: Druckentwicklung im Strahlrohr der Anlage in dem angenommenen Störfall 'Bruch der Strahlfenster an Targetbehälter und Sicherheitshülle'

H. Jacobs

Zusammenfassung
Das MEGAPIE Target wird entwickelt als Flüssigmetall-Target für die Spallations-Neutronenquelle SINQ im Paul Scherrer Institut in Villigen, Schweiz. Im vorliegenden Bericht wird der hypothetische Störfall 'Bruch der Strahlfenster an Target und Sicherheitshülle' untersucht, bei dem die flüssige Blei-Wismuth-Legierung aus dem Target mit dem flüssigen Wasser (D2O) aus der Sicherheitshülle in Kontakt käme. Die Frage ist, ob sich in dem System ein Druck entwickeln kann, der zur Beschädigung des Strahlrohres führen könnte. Für die Untersuchung der kritischen Anfangsphase wird das transiente thermo- und hydrodynamische Rechenprogramm MATTINA verwendet, das am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt wird zur Analyse von möglichen Dampfexplosionen bei schweren Unfällen in Kernkraftwerken. Die Rechnungen zeigen, daß kurzfristig, etwa in den ersten 10 Sekunden, nicht mit Drücken über 1 MPa (10 bar) zu rechnen ist. Falls das Flüssigmetall wie vorgesehen weit nach unten abfließt, gilt dies auch langfristig. Falls aber der Abfluß des Flüssigmetalls durch den Kollimator hindurch wesentlich behindert wird, könnte längerfristig ein Druckniveau von maximal etwa 2 MPa (20 bar) erreicht werden. Ebenso könnte in diesem Fall schon während der Entleerung des Targetbehälters Wasser dort eindringen und vorübergehend zu Drücken bis etwa 2 MPa (20 bar) führen. Mit Drücken über 2.0 MPa (20 bar) ist in keinem Fall zu rechnen. Sehr wahrscheinlich werden längerfristig nur wesentlich niedrigere Drücke erreicht, weil Kondensationsvorgänge an kalten Strukturen eine wesentliche Rolle spielen. Diese konnten hier nicht quantitativ behandelt werden.

Investigation into the safety case of the MEGAPIE target in the Spallation Neutron Source SINQ: Pressure development in the beam line of the facility in case of the hypothetical accident 'Breach of the beam windows on target container and safety hull'.

Abstract
The MEGAPIE target is being developed as liquid metal target for the Spallation Neutron Source SINQ at the Paul Scherrer Institute at Villigen, Switzerland. The present report analyses the hypothetical accident 'failure of the beam windows of target and safety hull.' During such an accident, the liquid potassium-bismuth alloy from the target would come into contact with the liquid water (D2O) from the safety hull. The question arises whether this contact can lead to pressures that could lead to damage of the beam line. The critical initial phase of this accident is analysed with the help of the transient thermo-hydraulic code MATTINA which is being developed at Forschungszentrum Karlsruhe for the analysis of steam explosions that might occur during severe accidents in Light Water Reactors. According to the calculations performed the pressure will remain below 1 MPa (10 bar) on short-term, e.g. during the first 10 sec. This remains true on the long run if the liquid metal moves a long distance downward, as foreseen. If, however, the flow of the liquid metal should be hindered severely by the collimator, up to about 2 MPa (20 bar) might be reached. Also, water could penetrate into the target container while it is emptying and cause pressure spikes up to about 2 MPa (20 bar). Pressures beyond 2 MPa (20 bar) will not occur. Most probably the pressures that might be reached on the long term are much lower because condensation on cold structures would play an important role. This phenomenon could here not be treated quantitatively.

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