Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6677
Comparison
Report on the Blind Phase of the OECD International Standard Problem No. 45
Exercise (QUENCH-06)
W.
Hering, Ch. Homann, J.-S. Lamy
Abstract
The
International Standard Problem (ISP) No. 45 is part of the overall ISP program of
the OECD/NEA and is dedicated to the behavior of heat-up and delayed reflood of
fuel elements in nuclear reactors. ISP-45 is related to the out-of-pile bundle
quench experiment QUENCH-06, performed at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK),
Germany, on December 13, 2000. Special attention was paid to hydrogen
production.
To assess
the ability of severe accident codes to simulate processes during core heatup
and reflood at temperatures above 2000 K, the behavior of the bundle during the
whole experiment should be calculated on the basis of experimental initial and
boundary conditions, but without knowing further experimental details (blind
phase). In the blind phase 21 participants from 15 nations contributed with 8
different code systems (ATHLET-CD, ICARE/CATHARE, IMPACT/SAMPSON, GENFLO, MAAP,
MELCOR, SCDAPSIM, SCDAP-3D).
After the
end of the blind phase all measured data were made available and the
participants were invited to deliver a second calculation, where this knowledge
could be used (open phase). In this report, results of the blind calculations
are presented, analyzed, and compared to experimental data. Additionally,
post-test calculations using the inhouse version SCDAP/RELAP5 mod3.2.irs are
used for comparison.
During
heat-up most results do not deviate significantly from one another, except as a
consequence of some obvious user errors, so that a definition of a mainstream
is justified. During quenching the lack of adequate hydraulic modeling becomes
obvious: some participants could not match the observed cool-down rates, others
had to use a very fine mesh to compensate code deficiencies. To overcome this
insufficiency some newly developed reflood models were used in MAAP and MELCOR.
In
QUENCH-06, the sufficiently thick oxide layers protected the cladding from
melting and failure below 2200 K, so that no massive hydrogen release during
reflood was found. This behavior could be simulated by most of the codes if no
artificial shattering options were used. With respect to hydrogen production
the mainstream shows a spreading of +/- 15 % prior to reflood initiation and a
range of +/- 40 % after reflood. However, a group of SCDAPSIM users activated
an extreme shattering option, which overestimates the produced hydrogen mass by
a factor of 5. In the mainstream, most of the codes predict correctly that no
bundle damage occurred, whereas others calculate slight material relocations,
mainly due to overestimation of the cladding temperatures.
However,
detailed inspection showed that the codes still have difficulties to predict
correctly the bundle conditions prior to reflood. Another surprising aspect was
that the energy balance has to be checked prior to further interpretation of
the results. Lacking user experience to analyze such problems and to model them
adequately was a main reason for larger deviations.
Vergleich der Ergebnisse der blinden Phase des
Internationalen Standard Problems Nr. 45 der OECD (QUENCH-06)
Zusammenfassung
Das Internationale Standard Problem (ISP) No. 45 ist
Teil des ISP Programms der
OECD/NEA und zielt auf die Untersuchung des
Kernverhaltens in Kernkraftwerken beim Aufheizen und verzögertem Fluten mit
Wasser. ISP-45 wurde als Versuch No. 6 am 13. Dezember 2000 in der out-of-pile
Versuchsanlage QUENCH im Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt. Ein
wesentliches Ziel ist die Untersuchung der Wasserstoffquellterms beim Fluten.
Um den derzeitigen Stand der Kernschmelzcodes in
Bezug auf Simulation der Kernaufheizung und schnellen Abkühlung durch Wasser
(quench) adäquat beurteilen zu können, wurden nur die notwendigsten Anfangs-
und Randbedingungen für die Rechnungen vorgegeben (Blinde Phase).
In der blinden Phase des ISP-45 nahmen 8 Code-Systeme
teil (ATHLET-CD, ICARE/- CATHARE, IMPACT/SAMPSON, GENFLO, MAAP, MELCOR,
SCDAPSIM, SCDAP- 3D). Die Ergebnisse der Blind-Rechnungen der 21 Teilnehmer aus
15 Staaten werden mit den experimentellen Ergebnissen und den Resultaten der
Nachrechnung mit SCDAP/RELAP5 mod3.2.irs verglichen. Während der Aufheizphase
weichen die meisten Ergebnisse nur geringfügig voneinander, wobei
offensichtliche Benutzer-Fehler ausgeklammert wurden. Dies rechtfertigt die
Definition eines sogenannten „Hauptfeldes“. Während der Quench-Phase
divergieren die Ergebnisse jedoch signifikant, was zum Teil auf eine
unzureichende Modellierung der Thermohydraulik zurückzuführen ist. Um dieses
Defizit zu umgehen, wurden neue Modelle in MAAP und MELCOR entwickelt und
eingesetzt.
Im Versuch QUENCH-06, der eine Maximaltemperatur von
ca. 2200 K erreichte, verhinderte eine ausreichend dicke Oxydschicht ein
frühzeitiges Versagen der Hüllrohre und damit die Freisetzung von metallischer
Schmelze. Daher ist die zusätzliche Wasserstofffreisetzung gering, sie kann mit
den normalen Oxidationsmodellen weitgehend beschrieben werden. Im „Hauptfeld“
erhöhte sich die Streuung der freigesetzten H2 – Masse von ca. +/- 15 % vor dem
Fluten auf ca. +/- 40 % nach dem Test. Verschiedene Teilnehmer überschätzten
jedoch deutlich den zusätzlichen H2-Quellterm durch Einsatz eines sog. „Shattering
models“, das künstlich die protektive Oxydschicht entfernt. Auch wurden
Schmelzeverlagerungen und Debris-Bildung berechnet.
Eine detaillierte Untersuchung zeigte auch, dass die Codes noch Probleme mit der korrekten Berechnung des Bündelzustandes vor dem Fluten haben. Ein anderer überraschender Aspekt ist, dass die Energiebilanz sorgfältig überprüft werden muss, bevor man an die Interpretation der Ergebnisse gehen kann. Fehlende Erfahrung der Codebenutzer sowie Schwierigkeiten bei der Simulation der QUENCH-Anlage waren weitere Ursachen für die beobachtete Streuung der Ergebnisse.