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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