Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7064

Test Report of the Melt Spreading Tests ECOKATS-V1 and ECOKATS-1

H. Alsmeyer, T. Cron, J. J. Foit, G. Messemer, S. Schmidt-Stiefel, W. Häfner, H. Kriscio

Abstract
As one of the major tasks of the ECOSTAR project, two large-scale experiments on oxidic melt spreading were performed. The experimental conditions were selected to represent low flow rate of oxidic melt, released with low overheat, so that stop of the spreading process may occur during ongoing melt release, and spreading would be incomplete. Besides the basic experimental information on spreading of large melt masses under low flow conditions, the experiments were designed to be used for the final validation of spreading codes. After completion of the validation process, the computer programs would be able to predict with sufficient accuracy the spreading process in case of an accident, which is expected to occur under less critical conditions than the actual experiment.

The report describes also the selection and characterization of the multi-component oxide melt, which simulates the ex-vessel oxide corium melt in an anticipated reactor accident. The melt was generated by a modified exothermic thermite reaction, and poured to the spreading surfaces under controlled conditions.

To improve the information about the rheological behaviour of the selected oxide melt, a pre-test ECOKATS-V1 was performed in which the oxide melt was spread in a 1-d flow channel. Together with qualified spreading calculations, this experiment allowed for estimation of the initial viscosity of the melt and characterization of the rheological behaviour in the freezing range. Furthermore, significant information about the nature of the 1-d spreading process during onset of solidification as well as growth and failure of a front crust was gained.

The large scale 2-d spreading experiment ECOKATS-1 was performed on a concrete surface, 4 m long and 3 m wide . 547 kg of oxide melt were released to the spreading surface during a period of 85 s. The melt and the spreading conditions were selected to represent the situation for which the melt stopped during the phase of melt inflow (incomplete spreading). Degassing of the concrete during the initial spreading phase has an important effect on the spreading process as can be seen e.g. in the inlet flow channel by comparison with the test ECOKATS-V1. Spreading on the large surface into the longitudinal direction already stopped at the first time after 1 m at 20 s, and was subsequently followed by a pronounced spreading towards the lateral walls, and a series of smaller outflows of melt through the front crust. The end of spreading was reached at 100 s equal to 15 s after the end of melt release. The total area that has finally been covered by the spread melt was 4.88 m².

Detailed material investigations were performed to determine the important properties of the melt, especially with respect to its viscosity and its freezing behaviour which dominate the spreading process. With this additional information, the physico-chemical properties of the multi-component melt are well characterized.

In both experiments, spreading of the oxide melt is characterized by pronounced thermal boundary layers that exist at the free surface of the melt on the one hand, and at the surface of the concrete or ceramic substrate on the other hand. This leads to the formation of crusts, while the bulk of the melt remains at high temperatures. This is evident because late outflows of melt through cracks in the front crust show still very high melt temperatures. The crust on the upper surface and especially at the leading edge of the melt is indeed responsible for the stop of the spreading process. At these locations, the relevant crust growth is controlled mainly by radiation. In the contrary, the bottom crust has only little effect on spreading as that crust is easily overflowed by the bulk of the melt. Furthermore, as the bottom crust limits heat transfer to the substrate, heat conduction in the substrate has only minor influence on spreading.

The experimental conditions are described and detailed results are given. Both experiments have been used for blind post-test calculations for validation of advanced spreading codes.

Ergebnisse der Schmelzenausbreitungsexperimente ECOKATS-V1

und ECOKATS-1

Zusammenfassung
Als eine der wesentlichen Aufgaben des ECOSTAR Projekts wurden 2 groß-skalige Experimente zur Ausbreitung von Oxid-Schmelzen durchgeführt. Die experimentellen Bedingungen wurden so gewählt, dass sie den langsamen Ausfluss einer Oxidschmelze mit geringer Überhitzung darstellen, so dass ein Stopp der Ausbreitung während des Ausflusses der Schmelze auftreten kann, und die Ausbreitung unvollständig bleibt. Über die grundlegenden experimentellen Informationen zur Ausbreitung großer Schmelzemassen bei geringer Ausflußrate hinaus wurden die Experimente so ausgelegt, dass sie zur abschließenden Verifizierung von Rechenprogrammen verwendet werden können. Nach erfolgreicher Verifizierung sollten die Rechenprogramme in der Lage sein, mit ausreichender Genauigkeit die Ausbreitung der Kernschmelze vorherzusagen, die im Falle eines Kernschmelzenunfalls unter weniger kritischen Bedingungen als im durchgeführten Experiment erwartet wird.

Der Bericht beschreibt die Auswahl und Charakterisierung der mehr-komponentigen Oxidschmelze, die die ex-vessel Kernschmelze in einem unterstellten Reaktor-Unfall simuliert. Die Schmelze wurde durch eine modifizierte exotherme Thermit-Reaktion erzeugt und unter kontrollierten Bedingungen auf die Ausbreitungsfläche geleitet.

Um die Kenntnis über die rheologischen Eigenschaften der ausgewählten Oxidschmelze zu verbessern, wurde das Vorexperiment ECOKATS-V1 durchgeführt, bei dem sich die Schmelze in einem 1-dimensionalen Kanal ausbreitete. Dieses Experiment ermöglicht mit Hilfe qualifizierter Rechnungen zur Ausbreitung, die anfängliche Zähigkeit der Schmelze abzuschätzen und ihr rheologisches Verhalten innerhalb des Erstarrungsbereiches zu charakterisieren. Darüber hinaus wurden wichtige Informationen über den Ablauf der 1-dimensionalen Ausbreitung gewonnen, speziell im Hinblick auf das Einsetzen der Erstarrung und das Wachsen und Versagen der Kruste an der Front der Schmelze.

Das Experiment ECOKATS-1 wurde als 2-dimensionales Ausbreitexperiment auf einer großen Betonfläche von 4 m Länge und 3 m Breite ausgeführt. 547 kg Oxidschmelze wurden während 85 s Auslaufzeit auf die Ausbreitfläche geleitet. Schmelze und Ausbreitbedingungen waren so gewählt, dass ein Stopp der Ausbreitung während der Aufgabe der Schmelze eintreten sollte (unvollständige Ausbreitung). Die Gasfreisetzung aus dem Beton hat dabei einen wichtigen Einfluss auf den Ausbreitvorgang, wie z. B. durch die Ausbreitung im Einlaufkanal im Vergleich mit dem Experiment ECOKATS-V1 festgestellt werden kann. Die Ausbreitung der Schmelze auf der Fläche stoppte in Längsrichtung bereits nach 1 m nach 20 s, und erfolgte dann in Querrichtung in Richtung der seitlichen Wände sowie durch eine Folge kleiner Schmelzenausflüsse durch Risse, die in der vorderen Kruste entstanden. Das Ende der Ausbreitung war 15 s nach dem Ende der Schmelzenzufuhr erreicht. Die gesamte von der Schmelze bedeckte Fläche betrug 4,88 m².

Ergänzend wurden detaillierte Materialuntersuchungen durchgeführt, um die wichtigen Eigenschaften der Schmelzen zu bestimmen, speziell bezüglich Zähigkeit und Erstarrungsverhalten der Schmelze. Mit dieser zusätzlichen Information sind die physikalisch – chemischen Eigenschaften der Schmelze gut charakterisiert.

In beiden Experimenten ist die Ausbreitung der Oxidschmelze durch die Ausbildung von Temperaturgrenzschichten charakterisiert, die einerseits an der freien Oberfläche der Schmelze und andererseits an ihrer Unterseite in Kontakt mit der Keramik- oder Betonfläche existieren. Dies führt zur Ausbildung von Krusten in diesen Bereichen, während der Zentralbereich der Schmelzenschicht seine hohe Temperatur behält. Dies ist erkennbar an der hohen Temperatur, mit der Schmelze aus Spalten aus der Frontkruste austritt. Die Kruste auf der Schmelzenoberseite und speziell an der Schmelzenfront ist für den Stopp der Ausbreitung verantwortlich. In diesen Bereichen wird das Wachstum der Kruste vorwiegend durch Wärmestrahlung gesteuert. Im Gegensatz dazu hat die Kruste an der Unterseite der Schmelze nur geringen Einfluss auf die Ausbreitung, da sie leicht von der Schmelze überströmt wird. Weiterhin begrenzt diese untere Kruste den Wärmeaustrag an die Ausbreitfläche, und damit bleibt der Einfluss der Wärmeleitung in der Ausbreitfläche auf die Ausbreitung gering.

Der Bericht beschreibt die experimentellen Bedingungen und die Ergebnisse der durchgeführten Experimente. Beide Experimente wurden für blinde Nachrechnungen zur Verifizierung fortgeschrittener Rechenprogramme zur Schmelzenausbreitung verwendet.

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