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.