Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6852

Melt Cooling by Bottom Flooding:The Experiment CometPC-H3

H. Alsmeyer, T. Cron, G. Merkel, S. Schmidt-Stiefel, W. Tromm, T. Wenz

Abstract
The CometPC-H3 experiment was performed to investigate melt cooling by water addition to the bottom of the melt. The experiment was performed with a melt mass of 800 kg, 50 % metal and 50 % oxide, and 300 kW typical decay heat were simulated in the melt. As this was the first experiment after repair of the induction coil, attention was given to avoid overload of the induction coil and to keep the inductor voltage below critical values. Therefore, the height of the sacrificial concrete layer was reduced to 5 cm only, and the height of the porous concrete layers was also minimized to have a small distance and good coupling between heated melt and induction coil.

After quite homogeneous erosion of the upper sacrificial concrete layer, passive bottom flooding started from the porous concrete after 220 s with 1.3 liter water/s. The melt was safely stopped, arrested and cooled. The porous, water filled concrete was only slightly attacked by the hot melt in the upper 25 mm of one sector of the coolant device. The peak cooling rate in the early contact phase of coolant water and melt was 4 MW/m2, and exceeded the decay heat by one order of magnitude. The cooling rate remarkably dropped, when the melt was covered by the penetrating water and a surface crust was formed. Volcanic eruptions from the melt during the solidification process were observed from 360 - 510 s and created a volcanic dome some 25 cm high, but had only minor effect on the generation of a porous structure, as the expelled melt solidified mostly with low porosity.

Unfortunately, decay heat simulation in the melt was interrupted at 720 s by an incorrect safety signal, which excluded further investigation of the long term cooling processes. At that time, the melt was massively flooded by a layer of water, about 80 cm thick, and coolant water inflow was still 1 l/s. The melt had reached a stable situation: Downward erosion was stopped by the cooling process from the water filled, porous concrete layer. Top and bottom crusts had formed, and included the bulk of the melt, which at this stage was still in the liquid state. Further cool down of the melt continued slowly over the next 40 min. Post test analysis showed, that the porosity of the melt is lower than in previous tests, and most of the coolant steam/water flow passes through one dominant flow channel at the base of the volcano. The interface of the porous concrete layer was only slightly attacked locally. The remaining 75 mm of porous concrete underneath are completely intact as always cooled by the presence of the flooding water.

In summary, the experiment has demonstrated that the CometPC cooling concept is able to stop and to cool the melt, although the expected porosity formation of the majority of the melt did not prevail in the present experiment. Under this aspect, the porous, water filled concrete layer has proven its reliability to stop the melt. On the other side, volcanic melt eruptions which occurred during a limited period of the test, did not improve the coolability significantly, as no major new porosity was created.

Kühlung der Schmelze durch Flutung von unten: das Experiment CometPC-H3

Zusammenfassung
Das Experiment CometPC-H3 wurde durchgeführt, um die Kühlung einer Schmelze durch Wasserzutritt von unten zu untersuchen. Das Experiment wurde mit einer Schmelzenmenge von 800 kg ausgeführt, die einen Anteil von 50 % Metall und 50 % Oxid aufwies, und in der typisch 300 kW Nachwärmeleistung simuliert wurde. Da dies das erste Experiment nach Reparatur der Induktionsspule war, sollte eine Überlastung der Induktionsspule vermieden und eine bestimmte niedrige Induktorspannung nicht überschritten werden. Dazu war die Höhe der Beton-Opferschicht auf nur 5 cm reduziert worden. Gleichzeitig wurde die Höhe der porösen, wasserführenden Betonschicht minimiert, um einen möglichst geringen Abstand und damit gute Ankopplung zwischen Induktionsspule und Schmelze zu erzielen.

Nach einer relativ gleichmäßigen Erosion der oberen Betonopferschicht begann nach 220 s die passive Flutung von unten durch Wasseraustritt aus der porösen Betonschicht mit 1,3 Litern/s. Dadurch wurde die Schmelze sicher gestoppt und gekühlt. Die poröse, wasserführende Betonschicht wurde nur in den oberen 25 mm lokal leicht angegriffen. Die maximale Kühlrate in der ersten Kühlphase lag bei 4 MW/m2 und übertraf die Nachwärmeleistung um eine Größenordnung. Die Kühlrate nahm stark ab, nachdem die Schmelze von dem von unten eindringenden Wasser bedeckt war und eine Oberflächenkruste ausgebildet hatte. Vulkanische Eruptionen von Schmelze traten zwischen 360 und 510 s auf und bauten einen Vulkankegel von etwa 25 cm Höhe auf. Dies trug jedoch nur wenig zur Erzeugung einer porösen, gut kühlbaren Struktur bei, da die ausgetriebene Schmelze überwiegend als kompaktes Gebilde erstarrte.

Leider wurde die Nachwärmesimulation in der Schmelze nach 720 s durch ein fehlerhaftes Sicherheitssignal unterbrochen, was eine weitere Untersuchung der Langzeitkühlung verhinderte. Zu diesem Zeitpunkt war die Schmelze bereits durch eine 80 cm hohe Wasserschicht abgedeckt, und der Kühlwasserzustrom betrug noch 1 l/s. Die Schmelze hatte die folgende stabile Form angenommen: Die Erosion nach unten war durch die Kühlung des wasserführenden Porösbetons gestoppt. Oben und unten hatten sich stabile Krusten ausgebildet, die die noch flüssige Schmelze in ihrem Inneren einschloss. Die weitere Abkühlung der Schmelze vollzog sich über einen Zeitraum von 40 Minuten. Die Nachuntersuchungen zeigten, dass die Porosität der Schmelze geringer ist als in früheren Experimenten, und der Kühlwasserstrom des Wasser-Dampfgemischs sich auf einen Strömungskanal am Fuß des Vulkankegels konzentriert. Die Oberfläche der porösen Betonschicht wurde nur geringfügig angegriffen. Die untenliegenden 75 mm der Porösschicht sind vollständig intakt, da sie stets von dem einströmenden Kühlwasser gekühlt wurden.

Das Experiment hat gezeigt, dass das CometPC-Kühlkonzept in der Lage ist, die Schmelze zu stoppen und sicher zu kühlen, obwohl im vorliegenden Experiment die Schmelze nicht in poröser Form erstarrte. Die poröse, wasserführende Betonschicht hat damit ihre Stabilität gegen Schmelzeangriff unter erschwerten Bedingungen nachgewiesen. Andererseits haben vulkanische Eruptionen von Schmelze, die über einen beschränkten Zeitraum auftraten, nicht wesentlich zur Verbesserung der Kühlbarkeit beigetragen, da sie kaum neue poröse Strukturen entstehen ließen.

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