Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7002

KAJET Experiments on Pressure-Driven Melt Jets and their Interaction with Concrete

G. Albrecht, F. Huber, E. Jenes, A. Kaiser, W.Schütz

Abstract
In case of a localized RPV failure, the melt expulsion into the reactor cavity may be as a compact jet for a short period, following by a dispersed release after gas break-through. The KAJET experiments were related to the short initial phase of a compact jet. The main objective of the experiments was to establish a compact jet under driving pressures up to 0.8 MPa (in performance tests up to 2.5 MPa) and to study its interaction with different substratum materials. The molten corium was simulated by an alumina-iron thermite melt. Using a revolving mechanism for the substratum samples, the interaction with both melt phases could be studied separately. The gas break-through was avoided by sharply reducing the driving pressure at the end of the melt ejection process.

After a series of performance tests with water and thermite melt on the jet behaviour, seven interaction tests (KJ02 to KJ08) were carried out. The released total amount of melt per test was up to 160 kg. Driving pressures were varied from 0.3 to 0.8 MPa. Two different types of concrete were used as substratum materials, namely construction concrete and borosilicate glass concrete. Among others, the erosion rates in depth and the volume erosion were studied.

In the frame of the KAJET programme, a data base has been generated for model development and testing. Two test series with different concrete types, different driving pressures and different melt phases are now available. In KJ02, KJ03, KJ04 and KJ08, siliceous construction concrete was used at pressures of 0.3 / 0.5 / 0.8 MPa. In KJ05, KJ06, and KJ07, borosilicate glass concrete was eroded at 0.4 / 0.5 / 0.8 MPa. The erosion rates in depth for iron are generally bigger than for oxide, and the rates for construction concrete are bigger than for borosilicate glass concrete. For construction concrete, these rates (in mm/s) are between 8.9 and 11.2 (iron) and between 4.5 and 10 (oxide). For borosilicate glass concrete, the rates are between 5.2 and 8.0 (iron) and 2.8 and 5.1 (oxide), respectively. In all cases the erosion rate increases with increasing driving pressure. However, volume erosion rates are similar for iron and oxide, or may be even larger for oxide.

Theoretical analysis and interpretation has been performed in close cooperation with Ruhr-Universität Bochum and is reported separately. The melting of the structure material by the heat load of the impinging jet has been identified as the decisive mechanism for erosion.

KAJET-Experimente mit druckgetriebenen Schmelzestrahlen und deren Wechselwirkung mit Beton

Zusammenfassung
Im Falle eines punktuellen Versagens des Reaktordruckbehälters kann der Schmelzeausstoß kurzzeitig als kompakter Strahl erfolgen, gefolgt von einer dispergierenden Freisetzung nach dem Gasdurchbruch. Die KAJET-Experimente bezogen sich auf die kurze Anfangsphase als kompakter Strahl. Gegenstand der Experimente war zunächst, einen möglichst kompakten Schmelzestrahl bei treibenden Drücken bis 0,8 MPa zu erzeugen (in Vorversuchen bis 2,5 MPa) und dann die Wechselwirkung des auftreffenden Strahls mit unterschiedlichen Betonsorten zu untersuchen. Die Kernschmelze wurde dabei durch eine Aluminiumoxid-Eisen-Thermitschmelze simuliert.

Mit Hilfe eines Drehmechanismus für die exponierten Betonproben konnten die beiden Schmelzephasen (Metall und Oxid) getrennt behandelt werden. Der Gasdurchbruch wurde durch schnelle Reduktion des Treibdruckes am Ende des Schmelzeausstoßes vermieden.

Nach einer Reihe von Vorversuchen mit Wasser und Thermitschmelze zum Strahlverhalten wurden sieben Experimente zur Wechselwirkung mit Beton durchgeführt (KJ02-KJ08). Dabei wurden bis zu 160 kg Schmelze pro Experiment eingesetzt. Die Treibdrücke wurden variiert von 0,3 bis 0,8 MPa. Als Probenmaterial wurde Konstruktionsbeton und Borosilikatglasbeton verwendet. In erster Linie wurden die Erosionsraten gemessen, bezogen auf die Tiefe und das Volumen.

Im Rahmen des KAJET-Programms wurde eine Datenbasis für die Modellentwicklung erzeugt. Zwei Versuchsreihen mit unterschiedlichen Betonsorten, verschiedenen Treibdrücken und verschiedenen Schmelzephasen stehen nun zur Verfügung. In KJ02, KJ03, KJ04 und KJ08 wurde silikatischer Konstruktionsbeton erodiert bei Treibdrücken von 0,3/0,5/0,8 MPa, In KJ05, KJ06 und KJ07 wurde Borosilikatglasbeton erodiert bei 0,4/0,5/0,8 MPa. Die Tiefenerosionsraten für Eisenstrahlen sind generell höher als für Oxidstrahlen, und die Raten für Konstruktionsbeton sind generell höher als für Borosilikatglasbeton. Für Konstruktionsbeton liegen die Erosionsraten (in mm/s) zwischen 8,9 und 11,2 (Eisen) sowie zwischen 4,5 und 10 (Oxid). Für Borosilikatglasbeton liegen die Raten zwischen 5,2 und 8,0 (Eisen) sowie 2,8 und 5,1 (Oxid). In allen Fällen steigen die Raten mit dem Treibdruck an. Die Raten der Volumenerosion sind allerdings bei beiden Schmelzephasen ähnlich oder für Oxidstrahlen sogar höher.

Modelltheoretische Untersuchungen und Interpretation der Ergebnisse erfolgten in enger Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum. Über diese Arbeiten wird an anderer Stelle berichtet. Das Aufschmelzen des Strukturmaterials infolge Wärmeeintrags durch den auftreffenden Schmelzestrahl wurde als der entscheidende Mechanismus identifiziert, der zur Erosion führt.

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