Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7024

KAPOOL experiments on melt-through of a metal plate by an overlying melt pool

B. Eppinger, T. Cron, G. Fieg, G. Merkel, S. Schmidt-Stiefel, W. Tromm T. Wenz, J. Grune, G. Stern

Abstract
In the event of a hypothetical severe accident in a Light Water Reactor (LWR) it is possi-ble that the core melts and relocates to the lower head of the reactor pressure vessel (RPV). If the severe accident management measures are not successful, the RPV can fail and the core melt is discharged onto the basement of the containment. To prevent a significant release of radioactivity to the environment due to the melt-through of the basement, LWR’s might incorporate the ability to retain and cool the core melt on the basement of the containment (core catcher concept).

Before the melt arrives on the cooling device on the basement, the melt has to penetrate the reactor cavity. The reactor cavity may be equipped with a metallic plate at its bottom, covered by a layer of sacrificial concrete, to collect the melt over a certain time period. To achieve a complete and homogeneous spreading of the melt over the total area of the cooling device a fast and sufficiently wide melt-through of the metallic plate is required.

To investigate the important processes concerning the melt-through of a metallic plate by a simulated core melt, a series of transient KAPOOL experiments has been performed in the years 1998 to 2000. The corium melt in the KAPOOL tests is simulated by an alu-mina/iron melt, produced by a thermite reaction. Therefore it was possible to investigate the interaction of both parts of the corium melt (metallic and oxidic) with a metal plate.

The experiments show that metallic melts in contact with a steel plate that simulates the melt gate between the reactor cavity and the core catcher compartment lead to fast melt-ing of the steel plate (KAPOOL 9). Oxide melts in contact with a steel or an aluminium plate lead to oxide crust formation at the steel or aluminium interface, and subsequent formation of gaps between the crust and the metal plate. In case of a steel plate no abla-tion of the plate by the oxide melt could be observed (KAPOOL 11 and 12). Due to the lower melting temperature of the aluminium one could detect and analyse failure modes of the plate due to high thermal loadings (KAPOOL 13 and 15 to 17).

In addition to the experiments, heat transfer calculations with the HEATING5 code have been performed. The results of the calculations helped to reproduce the experimental results and to identify the important processes concerning the melt-through of a metal plate.

A drawback of the KAPOOL tests is the transient character: Volumetric heat production in the melt was not possible to simulate the nuclear decay heat. In the case of real co-rium melts with decay heat a later thermal erosion of a melt gate made of steel would be expected in contrary to the outcomes of the tests KAPOOL 11 and 12.

From the results of the KAPOOL tests 15 to 17 it is advantageous to use aluminium as the material for the bottom of the reactor cavity, as for this material the tests have proved a sufficient fast and large opening of the plate. A very important advantage of using alu-minium is the high thermal conductivity of the material, which supports a fast opening of the gate over a large area. When steel should be used as material for the melt gate, fur-ther investigations deem necessary to prove a sufficiently large opening of this gate by an oxide melt.

KAPOOL Experimente zum Durchschmelzen einer Metallplatte durch eine aufliegende Schmelze

Zusammenfassung
Im Falle eines hypothetischen schweren Unfalls in einem Leichtwasserreaktor (LWR) ist es möglich, dass der Kern schmilzt und sich in die Bodenkalotte des Reaktordruckbehäl-ters verlagert. Wenn die Maßnahmen zum Unfallmanagement nicht wirken bzw. ausfal-len, kann der Reaktordruckbehälter versagen und die Kernschmelze gelangt auf das Fundament des Reaktors. Um eine Freisetzung von Radioaktivität infolge einer Durch-dringung des Fundamentes an die Umgebung zu verhindern, können Reaktoren die Möglichkeit vorsehen, die Kernschmelze auf dem Fundament des Sicherheitsbehälters zurückzuhalten und zu kühlen (Kernfängerkonzept).

Bevor die Kernschmelze auf die Kühleinrichtung auf dem Fundament gelangt, muss sie die Reaktorgrube durchdringen. Die Reaktorgrube kann am Boden mit einer Metallplatte abgeschlossen sein. Diese Metallplatte ist mit einer Opferbetonschicht bedeckt, um die Schmelze über eine gewisse Zeitspanne in der Reaktorgrube zu halten. Um eine kom-plette und homogene Ausbreitung der Schmelze über die gesamte Fläche der Kühlein-richtung zu erreichen, muss die Metallplatte möglichst schnell über eine ausreichende Öffnung durchschmolzen werden.

Um die wichtigen Vorgänge beim Durchschmelzen von metallischen Platten durch eine simulierte Kernschmelze zu untersuchen, wurde in den Jahren 1998 bis 2000 eine Serie von KAPOOL Experimenten durchgeführt. Als Simulationsschmelze für die Kernschmel-ze wurde eine Schmelze aus Eisen und Aluminiumoxid verwendet, die durch eine Ther-mitreaktion erzeugt wurde. Dadurch war es möglich, die Wechselwirkung beider Teile einer Kernschmelze (metallisch und oxidisch) mit einer Metallplatte zu untersuchen.

Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass metallische Schmelzen in Kontakt mit einer Stahlplatte, die das Schmelzentor zwischen Reaktorgrube und Kühleinrichtung simuliert, zu einem schnellen Aufschmelzen der Stahlplatte führen (KAPOOL 9).

Oxidische Schmelzen in Kontakt mit einer Stahl- oder einer Aluminiumplatte führen zu einer Krustenbildung des Oxids auf dem Stahl oder dem Aluminium und zu einer nach-folgenden Spaltbildung zwischen der Kruste und der Platte. Im Falle der Stahlplatte konnte kein Aufschmelzen der Platte durch die Oxidschmelze erreicht werden (KAPOOL 11 und 12). Aufgrund der niedrigeren Schmelztemperatur des Aluminiums konnten Versagensmodi der Platte untersucht und analysiert werden (KAPOOL 13 und 15-17).

Zusätzlich zu den Experimenten wurden begleitende Wärmeübergangsrechnungen mit dem Rechencode HEATING5 durchgeführt. Die Ergebnisse der Rechnungen halfen da-bei, die experimentellen Ergebnisse nachzuvollziehen und wichtige Prozesse beim Durchschmelzen einer Metallplatte zu identifizieren.

Ein Nachteil der KAPOOL Experimente ist deren transienter Charakter: Volumetrische Wärmeerzeugung in der Schmelze war nicht möglich. Im Gegensatz zu den Ergebnissen der Experimente KAPOOL 11 und 12 würde man bei realen Kernschmelzen mit Nachzerfallswärme eine spätere thermische Erosion der Stahlplatte erwarten.

Unter Berücksichtung der Ergebnisse der Experimente KAPOOL 15 bis 17 ist es vorteil-haft, Aluminium als Material für den Boden der Reaktorgrube zu verwenden, da die Ex-perimente für dieses Material ein ausreichend schnelles und großflächiges Öffnen der Platte gezeigt haben. Ein sehr wichtiger Vorteil des Aluminiums liegt in seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, welche ein schnelles Öffnen des Schmelzentors über eine große Fläche unterstützt. Wenn eine Stahlplatte als Schmelzentor verwendet werden soll, soll-ten weitere Untersuchungen erfolgen, um ein ausreichend großes Aufschmelzen der Platte durch die Oxidschmelze nachzuweisen.

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