Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7011

ECO STEAM EXPLOSION EXPERIMENTS –DOCUMENTATION AND EVALUATION OF EXPERIMENTAL DATA

W. Cherdron, F. Huber, A. Kaiser, W. Schütz

Abstract
Steam explosions are a safety concern during analysis of LWR core melt accidents. In case of a steam explosion, part of the thermal energy of the melt is transferred into mechanical energy, imposing loads to reactor vessel, reactor roof, and and in-vessel structures. As a consequence of these loads, part of these structures might fail.

The ECO experiments have been conducted at the Forschungszentrum Karlsruhe to measure the explosion pressures and actually measure the Energy COnversion directly under well-defined conditions with relevant melt masses (up to 18 kg), which has never been done before. These tests were using molten alumina (Al₂O₃) from a thermite reaction (2600 K) to simulate the high temperature core melt.

In principle, the facility consists of a piston and cylinder system. The melt is injected from above into the water which is situated in the piston. Under the pressure forces due to the explosion, the piston moves downwards compressing a stack of crushing material with welldefined forces. This gives a direct measurement of the mechanical energy.

Very low energy conversion ratios were obtained in the first three tests (less than 0.1 %). Therefore, in the following tests, essential test conditions were changed. The water-to-melt mass ratio was decreased and the melt jet was partly fragmented before it penetrated into the water.

Under these conditions, the energy conversion became more effective: up to 2.39 % were reached. In test 05, the strongest explosion of the test series occurred, with pressures well beyond the registration limit of 50 MPa. The last two tests produced pressures in excess of the extended registration limit of 100 MPa, the energy conversion ratios remained below one percent, however.

We report here about the results of the full test series which comprises eight successful tests.

ECO-Versuche zur Dampfexplosion – Dokumentation und Auswertung der experimentellen Ergebnisse

Zusammenfassung
Dampfexplosionen sind Bestandteil der LWR-Sicherheitsanalysen, in denen Kernschmelzunfälle betrachtet werden. Im Falle einer Dampfexplosion wird ein Teil der thermischen Energie der Schmelze in mechanische Arbeit umgesetzt, die zu Lasten auf den Reaktordruckbehälter und den Reaktordeckel führt. Als Folge dieser Lasten könnte ein Teil dieser Strukturen versagen

Die so genannten ECO-Experimente wurden am Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt, um zum einen die Explosionsdrücke, zum anderen die Energiekonversion (engl. Energy COnversion) direkt unter wohl definierten Bedingungen mit Schmelzemassen von bis zu 18 kg zu messen, was bisher einmalig ist. Die heiße Kernschmelze wurde durch flüssiges Aluminiumoxid (Al₂O₃) von etwa 2600 K simuliert, das durch eine Thermitreaktion erzeugt wurde.

Die Testeinrichtung besteht im Prinzip aus einem Kolben-Zylinder-System. Die Schmelze wird von oben in das Wasser eingeleitet, das sich im Kolben befindet. Letzterer bewegt sich unter der Wirkung der Drücke, die mit der Dampfexplosion einhergehen, nach unten und komprimiert dabei eine Lage von energieverzehrendem Knautschmaterial mit bekannten Verformungseigenschaften. Der Verformungsweg kann somit direkt in mechanische Energie umgerechnet werden.

Die Energiekonversionrate war in den ersten drei Versuchen mit Werten unter 0,1% sehr niedrig. In den folgenden Versuchen wurden daher wesentliche Versuchsbedingungen geändert. So wurde das Massenverhältnis von Wasser und Schmelze verkleinert, und es wurde der Schmelzestrahl vorfragmentiert, bevor er in das Wasser eindrang.

Diese Maßnahmen erhöhten die Energiekonversionrate auf bis zu 2,39 %. Der Versuch 05 verzeichnete die stärkste Dampfexplosion der Versuchsserie, wobei die Drücke den Messbereich von 50 MPa weit überschritten. In den letzten zwei Versuchen wurden noch höhere Drücke gemessen, die sogar über den auf 100 MPa erweiterten Messbereich hinaus gingen. Die Energiekonversionraten blieben jedoch unter einem Prozent.

Der Bericht gibt alle Ergebnisse der Versuchsserie wieder, die acht erfolgreiche Einzelversuche umfasst.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK