Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6722

Comparison and Interpretation Report of the OECD International Standard Problem No. 45 Exercise (QUENCH-06)

W. Hering, Ch. Homann, J.-S. Lamy, A. Miassoedov, G. Schanz, L. Sepold, M. Steinbrück

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 during a hypothetical accident. 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 heat-up and reflood at temperatures above 2000 K, the behavior of the bundle during the whole experiment should be calculated on the basis of the necessary experimental initial and boundary conditions, but without knowing further experimental details. In this so-called 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). Additionally, posttest calculations using the in-house version SCDAP/RELAP5 mod3.2.irs are used for comparison. 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 (socalled open phase). In this report, results of the blind calculations are presented, analyzed, and compared to experimental data.

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. For the quench phase the lack of adequate hydraulic modeling becomes obvious: some participants could not match the observed cool-down rates, others had to use very fine meshes to compensate code deficiencies. To overcome this insufficiency some newly developed reflood models were used in MAAP and MELCOR.

In QUENCH-06, oxide layers were thick enough to protect 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 with commonly used oxidation models, if no shattering options were used arbitrarily. With respect to calculated 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 participants calculated 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 initial conditions for reflood. Another surprising finding was that the energy balance has to be checked prior to further interpretation of the results. Lacking user experience and problems to model the QUENCH facility adequately was a main reason for larger deviations.

In the open phase 9 participants delivered results in time, a further participant with some delay; lacking manpower or time was mentioned as main reason for not participating in the open phase. The results show that their codes are able to simulate adequately the QUENCH-06 experiment. Some participants performed successful error corrections as well as code improvements. The spreading of the results, e.g. the spreading of the calculated hydrogen mass was reduced significantly.

Vergleich und Interpretation der Ergebnisse des Internationalen Standard-Problems Nr. 45 der OECD (QUENCH-06)

Zusammenfassung
Das Internationale Standard Problem (ISP) No. 45 ist Teil des allgemeinen ISP Programms der OECD/NEA und bezieht sich auf die Untersuchung des Kernverhaltens in Kernkraftwerken beim Aufheizen und verzögertem Fluten während eines angenommenen Unfalls. Als Basis für ISP-45 wurde am 13. Dezember 2000 Versuch Nr. 6 in der out-of-pile Versuchsanlage QUENCH im Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt. Ein wesentliches Ziel war die Untersuchung des Wasserstoffquellterms.

Um den Stand von Kernschmelzcodes für die Simulation der Kernaufheizung und der Abschreckung mit Wasser (quench) bei Temperaturen oberhalb von 2000 K beurteilen zu können, wurden in der sogenannten blinden Phase nur die notwendigen Anfangs- und Randbedingungen für die Rechnungen vorgegeben, aber keine weiteren experimentellen Einzelheiten. An dieser Phase beteiligten sich 21 Organisationen aus 15 Staaten mit 8 Code-Systemen (ATHLET-CD, ICARE/CATHARE, IMPACT/SAMPSON, GENFLO, MAAP, MELCOR, SCDAPSIM, SCDAP-3D). Außerdem wurden eigene Nachrechnung mit SCDAP/RELAP5 mod3.2.irs gemacht. In diesem Bericht werden die berechneten Ergebnisse dargestellt, analysiert und mit den Messungen verglichen.

Während der Aufheizphase weichen die meisten Ergebnisse nicht wesentlich voneinander ab, außer als Folge von offensichtlichen Benutzer-Fehlern. Dies rechtfertigt die Definition eines sogenannten „Hauptfeldes“. Für die Abschreckphase zeigt sich, dass die Modellierung der Thermohydraulik unzureichend ist: einige Teilnehmer konnten die beobachteten Abkühlraten nicht nachvollziehen, andere mussten ein sehr feines Gitter benutzen, um Unzulänglichkeiten des Rechenprogramms auszugleichen. Um dieses Defizit zu beheben, wurden in MAAP und MELCOR neue Modelle entwickelt und eingesetzt.

Im Versuch QUENCH-06 verhinderte eine hinreichend dicke Oxydschicht ein Versagen der Hüllrohre unterhalb von etwa 2200 K und damit die Freisetzung von metallischer Schmelze. Dieses Verhalten konnte in den meisten Rechenprogrammen mit den normalen Oxidationsmodellen beschrieben werden, wenn nicht willkürlich ein Abplatzen der Oxidschicht angenommen wird. Im „Hauptfeld“ erhöhte sich die Streuung der berechneten freigesetzten H2-Masse von ca. ±15 % vor dem Fluten auf ca. ±40 % nach dem Fluten. Verschiedene Anwender von SCDAPSIM überschätzten jedoch die freigesetzte Wasserstoffmenge um einen Faktor 5 durch die Annahme einer sehr umfangreicher Entfernung der schützenden Oxydschicht. Im Hauptfeld wurde von den meisten Teilnehmern richtig berechnet, dass keine Zerstörung des Bündels eintritt, während andere Teilnehmer kleinere Schmelzeverlagerungen -Bildung berechnen, meist wegen einer Überschätzung der Hüllrohrtemperaturen.

Eine detaillierte Untersuchung zeigte auch, dass die Codes noch Probleme mit der korrekten Berechnung der Anfangsbedingungen im Bündels zu Beginn des Flutens haben. Eine weitere überraschende Erkenntnis 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 angemessenen Modellierung der QUENCH-Anlage waren die Hauptursache für größere Abweichungen.

In der offenen Phase lieferten 9 Teilnehmer termingerecht Ergebnisse ab, ein weiterer mit Verzögerung; fehlendes Arbeitspotential oder fehlende Zeit wurde von den anderen als Hauptgrund angegeben, nicht an der offenen Phase teilzunehmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Codes das Experiment QUENCH-06 zufriedenstellend analysieren können. Einige Teilnehmer haben Fehler korrigiert oder den Code verbessert. Die Streuung der Ergebnisse, z. B. der H2—Masse, wurde deutlich reduziert.

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