Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6945

Melt Cooling by Bottom Flooding: The Experiments CometPC-H4 and -H5

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

Abstract
The large-scale experiments CometPC-H4 and -H5 investigate cooling of simulated corium melts by flooding the melt from the bottom through layers of porous, water filled concrete. Both experiments use 800 kg of oxidic and metallic melts, initial temperature from 1800 to 1900°C, with simulation of nuclear decay heat by inductive heating with 300 KW typical. The experiments are performed in a cylindrical geometry to allow flooding from the bottom or/and from the sidewalls after erosion of the layers of sacrificial concrete, which cover the porous concrete.

In the experiment CometPC-H4, lateral erosion was faster than expected with the consequence that passive flooding started from the sidewalls. Sideward erosion was safely stopped by the lateral water inflow, but the surface of the melt was flooded and a permanent surface crust formed before onset of flooding from the bottom. This resulted in a typical top flooding situation, in that the surface crust prevented efficient melt fragmentation. Therefore, upward heat removal was not sufficient and downward erosion of the bottom concrete continued. After further erosion of the sacrificial concrete layer at the bottom, the melt contacted the porous, water filled concrete layer. Passive injection of coolant water into the bottom of the melt increased the steam pressure and broke up the surface crust, through which part of the residual liquid melt was ejected into the overlaying coolant water. Although coolability was improved, parts of the melt locally continued downward erosion, which finally interrupted the internal heating of the melt after 3000 s.

With this experience, the subsequent experiment CometPC-H5 was designed with adequate thickness of the sacrificial concrete layers to start melt flooding from the bottom. The experiment showed the typical bottom-flooding situation with fast melt cooling and formation of a porous melt structure. However, during the further course of the test, some residual liquid melt fraction impeded the water inflow. Subsequent increase of the water pressure by the operator broke up the blockage and generated a coolable situation. Successful cooling was then demonstrated until 1 hour, when heating of the melt was terminated.

With the background of all relevant CometPC tests it is concluded, that this cooling concept has a high potential and that the water filled porous concrete layer is a reliable barrier. However, porosity of the melt during flooding and solidification should be improved by conceptual modifications, which inject the coolant water more homogeneously.

Kühlung der Schmelze durch Flutung von unten: die Experimente CometPC-H4 und -H5

Zusammenfassung
Die großskaligen Experimente CometPC-H4 und -H5 untersuchen die Kühlbarkeit simulierter Kernschmelzen durch Flutung von unten, die durch Wasserzutritt aus einer porösen, wasserführenden Betonschicht erfolgt. Beide Experimente verwenden 800 kg Metall- plus Oxid-Schmelze mit Anfangstemperaturen von 1800 bis 1900°C und simulieren die nukleare Nachwärme durch induktive Beheizung mit typisch 300 KW. Die Experimente wurden in zylindrischer Geometrie ausgeführt und erlauben damit die Flutung der Schmelze von unten und von der Seite, nachdem die Schichten von Opferbeton erodierte wurden, die den porösen Beton zunächst abdecken.

Im Experiment CometPC-H4 war die seitliche Erosion schneller als erwartet, wodurch die passive Flutung von der Seite her einsetzte. Das seitliche Eindringen der Schmelze wurde dadurch sicher gestoppt. Es wurde jedoch die Oberfläche der Schmelze überflutet, und es bildete sich eine stabile Oberflächenkruste aus, bevor die Flutung der Schmelze von unten einsetzte. Dies erzeugte die typische Situation der „Flutung von oben“, bei der die Oberflächenkruste eine wirksame Fragmentierung der Schmelze verhindert. Daher war die Wärmeabfuhr nach oben nicht ausreichend, und die Erosion des Betons am Boden ging weiter. Nach weiterer Erosion der Beton-Opferschicht erreichte die Schmelze die wasserführende, poröse Betonschicht. Der passive Zutritt des Kühlwassers in die Unterseite der Schmelze erhöhte den Druck durch Verdampfung, wodurch die Kruste an der Oberfläche aufgebrochen und ein Teil der noch flüssigen Schmelze in die obenliegende Wasserschicht ausgetragen wurde. Obwohl dadurch die Kühlbarkeit verbessert wurde, drangen lokal noch flüssige Teile der Schmelze weiter nach unten vor und führten schließlich nach 3000 s zur Unterbrechung der Beheizung der Schmelze.

Aufbauend auf dieser Erfahrung wurde das nachfolgende Experiment CometPC-H5 durch Wahl der Dicke der Beton-Opferschichten so ausgelegt, dass die Flutung von unten her beginnt. Das Experiment zeigt entsprechend die typischen Vorgänge der „Flutung von unten“ mit schneller Abkühlung der Schmelze und Ausbildung einer porösen Struktur. Jedoch wurde während des weiteren Verlaufs die Wasserzufuhr durch Verlagerung eines noch flüssigen Schmelzebereichs behindert. Die Erhöhung des Wasserdrucks durch den Operator beseitigte die Blockade und erzeugte eine kühlbare Konfiguration. Die erfolgreiche Kühlung wurde bis zum Abschalten der Beheizung nach einer Stunde nachgewiesen.

Auf der Basis aller relevanten CometPC-Experimente wird geschlossen, dass dieses Kühlkonzept ein hohes Potential hat und dass der wasserführende, poröse Beton eine zuverlässige Barriere darstellt. Es sollte jedoch die Porosität der Schmelze während der Flutung und Erstarrung verbessert werden durch Änderungen am Konzept, die einen gleichmäßigeren Wasserzutritt ermöglichen.

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