Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 6829

Results of the QUENCH-09 Experiment with a B4C Control Rod

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

Abstract
The QUENCH experiments series is focused on the determination of the hydrogen source term resulting from the water or steam injection into an uncovered core of a light water reactor (LWR). Closely connected aims are to study the scenario strongly dependent on core damage progression and the insufficiently understood mechanisms related to re-flooding and core recovery, as well as to provide information for an advanced treatment of the phenomena in codes. The experimental program relies on out-of-pile simulation of core conditions in parametric manner by use of electrically heated fuel rod simulator bundles. Essential information can be obtained, but transcription to fully realistic core conditions is seen as separate verification task requiring support from in-pile experiments and code analysis.

The QUENCH test bundles consist of a central rod and 20 surrounding fuel rod simulators heated over a length of 1024 mm. The Zircaloy-4 (Zry) fuel rod claddings and the grid spacers are identical to those used in pressurized water reactors, whereas the fuel is represented by ZrO2  pellets. The test section is instrumented with thermocouples (TC) attached to the rod cladding, the shroud, and the double-walled cooling jacket at levels between -50 mm and 1350 mm. Centerline TCs are mounted inside three of the four corner rods. The experiments are performed in flowing superheated steam / argon carrier gas atmosphere. The off-gas is mainly analyzed by a mass spectrometer.

QUENCH-09, performed at Karlsruhe Research Center on 03 July, 2002, was the second experiment after QUENCH-07 with a control rod arrangement in the bundle center, consisting of absorber rod (B4C pellets / stainless steel cladding) and Zry guide tube. The steel to B4C mass ratio of 3.5 was identical to that in the future PHEBUS FPT3 experiment. In addition to the usual TC instrumentation three TCs were embedded in a groove of the absorber rod cladding. QUENCH-09 was conducted similarly to QUENCH-07, except for two items: First, the steam flow was reduced from 3.4 to 0.4 g/s during the “B4C oxidation phase” to reach steam starvation in the bundle and thus to provide closer comparison with the PHEBUS FPT3 experiment. Second, cooling was achieved with 50 g/s of saturated steam (instead of 15 g/s in QUENCH-07) in order to cool down the bundle as fast as possible to preserve its state before cooling initiation. Both tests are to investigate the control rod failure and the effect on the degradation of the surrounding fuel rod bundle. With respect to volatile fission products chemistry the gaseous species from B4C oxidation and control rod degradation were determined. The experiments were co-sponsored by the European Community within the “COLOSS” project.

Control rod leakage was deduced from filling gas signal detection in the off-gas pipe at ~1555 K, roughly the same absorber rod temperature as in QUENCH-07 (~1585 K). In spite of this, mass spectrometry has determined then and until the cooling phase only unexpectedly faint signals of volatile control rod degradation products compared to QUENCH-07. In the cooling phase the violent H2 release was accompanied by large increases in the generation of CO and CO2. Further, boric acid generation was identified as well as a small amount of methane formation detected. Mass spectrometer data evaluation on basis of the combined amounts of CO and CO2 as well as metallographic post-test examinations of the bundle resulted in a calculated oxidative conversion of roughly 50 % of the available B4C mass (compared to roughly 20 % in QUENCH-07). The nominal contribution of B4C oxidation to the H2 signal, i.e. 2.2 % is comparable to 2.4 %, the respective percentage determined for QUENCH-07, but those figures do not indicate the secondary influences on the degradation of both bundles. The total hydrogen generation of 460 g in QUENCH-09 is the highest amount recorded up to now in a QUENCH experiment, as well as the fraction released during the cooling phase, 87 %.

The report gives a summarizing evaluation of the instrumentation data, especially on temperature measurements, and includes the deduced sequence of events. The post-test examination is covered in detail, interpreted, and separately summarized. It is mentioned that the transformation of the bundle to a blockage/flow channel configuration is found more advanced than for any previous QUENCH experiment. An analytical contribution supports the interpretation of the experimental results. Appendix contributions give brief information on experimental constraints and counteractions.


Ergebnisse des Versuchs QUENCH-09 mit einem B4C-Steuerstab

Zusammenfassung
Die Experimente der QUENCH-Serie dienen der Bestimmung des Wasserstoff-Quellterms als Folge der Wasser- oder Dampf-Einspeisung in den freigelegten Kern eines Leichtwasserreaktors (LWR). Eng damit verknüpfte Ziele sind die Untersuchung des wesentlich vom Szenario abhängigen Fortschreitens der Kernschädigung und der unvollständig verstandenen Mechanismen der Kernabkühlung im Flutvorgang, sowie die Gewinnung von Informationen für eine fortgeschrittene Behandlung der Phänomene in Codes. Das experimentelle Programm stützt sich auf eine parametrisierte Out-of-pile-Simulation der Bedingungen im Kern unter Einsatz eines Bündels elektrisch beheizter Brennstabsimulatoren. Wesentliche Informationen können erzielt werden, jedoch wird die Übertragung auf vollständig realistische Bedingungen eines Kerns als separate Verifizierungs-Aufgabe angesehen, die eine Unterstützung durch In-pile-Experimente und Code-Analysen erfordert.

Die QUENCH-Testbündel bestehen aus einem zentralen Stab und 20 umgebenden  Brennstabsimulatoren, die über eine Länge von 1024 mm beheizt sind. Die Brennstabhüllrohre (Zircaloy-4; Zry) und die Abstandshaltergitter sind identisch zu den in Druckwasserreaktoren verwendeten, während der Brennstoff durch ZrO2-Pellets repräsentiert wird. Die Teststrecke ist instrumentiert durch Thermoelemente (TE), die an den Hüllrohren, dem Shroud und dem doppelwandigen Kühlmantel in Ebenen zwischen -50 mm und 1350 mm angebracht sind. Zentrale TEs sind in drei der vier Eckstäbe montiert. Die Experimente werden in einer strömenden Atmosphäre aus überhitztem Dampf und Argon-Trägergas durchgeführt. Das abgeführte Gas wird hauptsächlich mittels eines Massenspektrometers analysiert.

QUENCH-09 wurde am 3. Juli 2002 durchgeführt und ist nach QUENCH-07 das zweite Experiment mit einer Kontrollstab-Einheit im Bündelzentrum, die aus einem Absorberstab (B4C-Pellets / Edelstahlhüllrohr) und einem Zry Führungsrohr besteht. Das Massenverhältnis Stahl / B4C von 3,5 war identisch zu dem im künftigen PHEBUS FPT3-Experiment vorgesehenen Kontrollstab. Zusätzlich zur üblichen TE-Instrumentierung wurden drei TE in Nuten der Absorberstab-Hülle eingebettet. QUENCH-09 wurde ähnlich zu QUENCH-07 durchgeführt, mit Ausnahme zweier Punkte: Der Dampfdurchsatz wurde während einer „B4C-Oxidationsphase“ von 3,4 auf 0,4 g/s reduziert, um Dampfmangelbedingungen im Bündel einzustellen und eine bessere Vergleichbarkeit mit den Bedingungen im PHEBUS FPT3 Experiment zu erzielen. Außerdem wurde mit der Einspeisung von 50 g/s Sattdampf (anstelle von 15 g/s in QUENCH-07) angestrebt, das Bündel so schnell wie möglich abzukühlen, um seinen Zustand vor der Abkühlung zu erhalten. In beiden Tests soll das Kontrollstabversagen und dessen Einfluss auf die Schädigung des umgebenden Bündels untersucht werden. Hinsichtlich der Chemie der flüchtigen Spaltprodukte waren die B4C-Oxidation und die Kontrollstab-Zerstörung zu untersuchen. Die Experimente wurden innerhalb des „COLOSS“-Projekts durch die Europäische Gemeinschaft mitfinanziert.

Eine Kontrollstab-Leckage wurde aus dem in der Abgasstrecke nachgewiesenen Füllgas-Signal bei ~1555 K abgeleitet, bei ungefähr der gleichen Absorberstab-Temperatur wie in QUENCH-07 (~1585 K). Jedoch wurden danach und bis zur Abkühlphase im Vergleich zu QUENCH-07 unerwartet schwache Signale flüchtiger Reaktionsprodukte der Kontrollstabschädigung mittels Massenspektrometrie registriert. In der Abkühlphase wurde die heftige Freisetzung von Wasserstoff von starken Anstiegen der Erzeugung von CO und CO2 begleitet. Weiterhin wurde die Bildung von Borsäure identifiziert und eine geringe Menge gebildeten Methans nachgewiesen. Die Auswertung der Massenspektrometer-Daten auf der Basis der gesamten Mengen an CO und CO2 sowie metallographische Nachuntersuchungen des Bündels ergab einen errechneten oxidativen Umsatz von etwa 50 % der verfügbaren Menge an B4C (im Vergleich zu etwa 20 % für QUENCH-07). Der nominale Beitrag der B4C-Oxidation zum H2-Signal von 2,2 % ist vergleichbar mit den 2,4 % für QUENCH-07; aber diese Zahlen lassen die sekundären Einflüsse auf die Schädigung der beiden Bündel nicht erkennen. Die insgesamt erzeugte Wasserstoffmenge von 460 g in QUENCH-09 ist der bisher höchste in einem QUENCH-Versuch nachgewiesene Wert, und das gilt auch für den während der Abkühlphase freigesetzten Anteil von 87 %.

Der Bericht enthält eine zusammenfassende Auswertung der Daten aus der Test-Instrumentierung, insbesondere zur Temperaturmessung und einschließlich der abgeleiteten Ereignis-Sequenz. Die Nachuntersuchung wird im Detail dargelegt, interpretiert und separat zusammengefasst. Es wird hier erwähnt, dass die Umwandlung des Bündels in eine Konfiguration aus einer Blockade und Strömungskanälen weiter fortgeschritten ist als bei allen vorher durchgeführten Versuchen. Ein analytischer Beitrag unterstützt die Interpretation der experimentellen Ergebnisse. Beiträge zum Anhang betreffen experimentelle Beschränkungen und Hinweise auf ihre Berücksichtigung.



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