Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7084
Experiment
ECOKATS-2 On Melt Spreading and Subsequent Top
Flooding Test and Data Report
CONTRACT FIKS-CT1999-00003 EX-VESSEL CORE MELT STABILIZATION RESEARCH
H. Alsmeyer, T. Cron,
J. J. Foit, G. Messemer, S. Schmidt-Stiefel, W. Häfner, H. Kriscio
Abstract
As part of the ECOSTAR project sponsored in the 5th Framework
Program of the European Commission, large-scale experiments on melt spreading
were performed.
In the experiment ECOKATS-2, fast and complete spreading of a considerable
quantity of melt was investigated, followed by subsequent top flooding with a
prescribed water flow rate. 3200 kg high temperature melt were spread in a 2 m
by 2 m concrete cavity. As a consequence of melt attack, the concrete was decomposed
releasing a large gas flow, which penetrated through the melt layer. The
influence of the melt/concrete interaction on the processes of spreading and
subsequent cooling was an important part of the experiment ECOKATS-2.
The used large melt mass had the same composition as in the experiment
ECOKATS-1. It was generated by a modified thermite reaction, which produced a
heavier iron fraction of 895 kg and a lighter oxide fraction of 2305 kg. The
melt was poured to the spreading area under controlled conditions with high
release rate of 20 to 30 litres/s. Discharge of the melt was completed after 33
s and the melt evenly filled the cavity some 20 cm high a few seconds after the
end of pouring. No decay heat was produced in the melt, so that spreading and concrete
erosion were controlled by the initial overheat of the melt.
During intense concrete erosion, about 30 s after the end of spreading,
the surface of the melt was flooded with coolant water, which was supplied from
one side of the spreading area with 4 liters/s. The contact of the water with
the upper oxide melt layer was very smooth and did not produce energetic
melt/water interactions. A closed surface crust was formed that firmly anchored
to the vertical sidewalls of concrete. The crust at the wall was stable
throughout the test, whereas in the center of the spreading cavity the
initially flat crust was slowly elevated by up to 20 cm, probably driven by gas
release from the concrete. Also 16 volcanic vents piled up through which some
melt was expelled in the form of lava flow, but their contribution to melt
coolability was small.
The majority of the melt under the crust was not fragmented, and
solidified as a compact layer without open porosity. This showed that
ingression of coolant water to the bulk of the melt was not possible. Also, no
significant cracks were visible in the lower solidified melt. Only the
uppermost 4 cm of the dense (unvoided) oxide melt were transferred into a
configuration that was coolable due to its high porosity, whereas the bulk of
the oxide melt and the iron layer at the bottom were not cooled by water
ingression from the top.
With respect to reactor application it is concluded that top flooding
alone is not sufficient to extract the decay heat from a deep corium melt and
to stop concrete erosion.
According to the deliverables of the ECOSTAR contract this report is
divided into the two main chapters "Spreading" and "Top
Flooding". In each chapter the required test report with the data report
is given.
The report includes the following deliverables of the ECOSTAR contract:
WP 2.1, 2-D Spreading: Part
D14; Test report.
Part D16; Data report.
WP 3.4.2ab; Coolability/Top Flooding: Part D39; Data set of experimental
results.
Part D40; Evaluation and test
report.
Schmelzenausbreitung mit
anschließender Kühlung von oben
Zusammenfassung
Im Rahmen des
ECOSTAR-Projekts wurden Experimente zur Ausbreitung von Schmelzen in großem Maßstab
durchgeführt. Sie waren Teil des 5. Rahmenprogrammes, welches von der
europäischen Gemeinschaft unterstützt wurde.
Im Experiment ECOKATS-2 wurde die
schnelle, vollständige Ausbreitung einer großen Schmelzenmenge untersucht, die
anschließend durch Aufgabe von Wasser auf ihre Oberfläche geflutet wurde. Es
wurden 3200 kg heißer Schmelze auf einer 2 m x 2 m großen Betonfläche
ausgebreitet. Als Folge des Angriffs durch die Schmelze zersetzte sich der
Beton und setzte eine große Menge von Gas frei, die durch die Schmelze
abströmte. Der Einfluss der Schmelze/Beton-Wechselwirkung auf den Vorgang der
Ausbreitung und die anschließende Abkühlung war ein wichtiger Schwerpunkt des
Experiments.
Die große Schmelzenmasse wurde durch
eine modifizierte Thermitreaktion erzeugt, mit der gleichen Zusammensetzung wie
beim Experiment ECOKATS-1. Sie bestand aus einer schweren Fraktion mit 895 kg
Eisen und einer leichteren Fraktion mit 2305 kg Oxid. Die Schmelze wurde unter
kontrollierten Bedingungen mit einem Volumenstrom von 20 bis 30 Liter/s auf die
Ausbreitfläche aufgegeben. Nach 33 s war der Ausströmvorgang beendet und einige
Sekunden später war die Ausbreitfläche ca. 20 cm hoch gleichmäßig mit Schmelze
gefüllt. In der Schmelze wurde keine Nachzerfallswärme simuliert, sodass sich
die Ausbreitung und die Betonerosion alleine durch die Überhitzung der Schmelze
einstellten.
Während der heftigen Betonerosion,
ungefähr 30 s nach Ende der Ausbreitung, wurde die Oberfläche der Schmelze mit
4 Liter Wasser/s geflutet, das von einer Seite der Ausbreitfläche aufgegeben
wurde. Der Kontakt des Wassers mit der oberen Schicht der Oxidschmelze verlief
sehr mild und erzeugte keine heftigen energetischen Reaktionen. Während des
Flutens entstand eine geschlossene Schmelzenkruste, die sich mit den
Betonwänden verankerte. Die Kruste an der Wand blieb bis zum Ende des
Experiments stabil, während sich die Kruste im Zentralbereich der Fläche
langsam um bis zu 20 cm anhob, vermutlich getrieben durch die Gase aus der
Betonerosion. Es bildeten sich 16 Vulkankegel, durch die etwas Schmelze als
Lavastrom austrat, aber ihr Beitrag zur Kühlung der Schmelze war gering.
Der größte Teil der Schmelze
unterhalb der Kruste wurde nicht fragmentiert, sondern erstarrte als kompakte
Schicht ohne offene Porosität. Dies zeigt, dass ein Eindringen des Kühlwassers
von oben in den Zentralbereich der Schmelze nicht möglich war. Weiterhin waren
keine wesentlichen Risse in der unteren Schmelze vorhanden. Lediglich die
oberen 4 cm der zunächst kompakten Schmelze
erstarrten als offenporige Kruste, die wegen ihrer hohen Porosität
kühlbar war. Der Zentralbereich der Schmelze und die unten liegende
Eisenschicht wurden nicht durch Eindringen von Kühlwasser gekühlt.
Im Hinblick auf die Anwendung für
den Reaktor wird gefolgert, dass Wasseraufgabe auf die Schmelze alleine nicht
ausreicht, um die Nachwärme aus einer dickeren Schmelzeschicht ausreichend
abzuführen und die Betonerosion zu stoppen.
Entsprechend den Aufgabenpaketen im
ECOSTAR-Vertrag ist der vorliegende Bericht in die wesentlichen Teile
"Spreading" und "Top Flooding" gegliedert. In jedem Teil
werden die geforderten experimentellen Ergebnisse mit den dazugehörenden
Messdaten dokumentiert.
Der Bericht enthält die zu
liefernden Berichtseinheiten des ECOSTAR-Vertrages:
WP 2.1, 2-D Spreading: Part
D14; Test report.
Part D16; Data report.
WP 3.4.2ab; Coolability/Top Flooding: Part D39; Data set of experimental
results.
Part D40; Evaluation and test
report.
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