Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7085

Innovative Methoden zu Analyse und Kontrolle des Wasserstoffverhaltens bei Kernschmelzunfällen
Abschlussbericht zu Teilprojekt 1 des HGF-Strategiefondsprojekts 98/07

W. Breitung, W. Baumann, U. Bielert, B. Burgeth, S. Dorofeev, B. Kaup, A. Kotchourko, G. Necker, R. Redlinger, P. Royl, J. Starflinger, G. Stern, J. R. Travis, A. Veser, Z. Xu

Zusammenfassung
Ziel des HGF-Strategiefondsprojekts 98/07 ist die Entwicklung von Methoden zur deterministischen Beschreibung von Wasserstoffverteilungs- und Verbrennungsvorgängen bei Kernschmelzunfällen in DWR-Anlagen. Die Ergebnisse werden für die Optimierung und Weiterentwicklung von Wasserstoffkontrollkonzepten für laufende und zukünftige Reaktoren eingesetzt. Die Arbeiten dienen der weiteren Verminderung des Restrisikos aus dem Betrieb von kerntechnischen Anlagen.

Hauptergebnis des Teilprojekts 1 ist die Entwicklung einer durchgehenden und konsistenten Analysemethodik für das H2 -Verhalten bei Kernschmelzunfällen. Die jetzt vorliegenden Tools erlauben eine hinreichend genaue Berechnung der Wasserstoff- und Dampfverteilung in einem komplexen Reaktorcontainment, eine Abschätzung der maximal möglichen Verbrennungsgeschwindigkeiten und die numerische 3D-Simulation des entsprechenden Verbrennungsvorgangs (langsame Deflagration, schnelle turbulente Deflagration oder Detonation).

Diese Analysemethodik wurde ganz oder teilweise auf Störfallabläufe in DWRs und in SWRs angewendet (8 DWRs, 3 SWRs). Die Modellierungen für deutsche Reaktoren haben den Zulassungsprozess von katalytischen Rekombinatoren in deutschen DWR-Anlagen unterstützt, indem die Wirksamkeit des Betreiberkonzepts in hochauflösenden 3D-Rechnungen nachgewiesen werden konnte. Die entwickelten FZK-Programme GASFLOW und COM3D werden auch von Framatome ANP zum Nachweis der H₂ -Beherrschung im EPR eingesetzt. Die theoretischen und experimentellen Erfahrungen aus dem nuklearen Bereich werden derzeit von FZK auch für nicht- nukleare Wassstoffsicherheitsfragen eingesetzt.

Innovative methods for hydrogen analysis and control in reactor core-melt accidents
Final report for Part 1 of HGF-Strategiefonds-Project 98/07

Abstract
The objective of Part 1 of the HGF-Strategiefonds-Project 98/07 is the deterministic description of hydrogen distribution and combustion processes during core-melt accidents in Pressurized Water Reactors (PWRs). The results are used for optimization and improvement of hydrogen control methods in operating and future nuclear reactors. The activities aim at further reduction of the residual risk from the operation of nuclear installations.

The main result of Part 1 of the HGF-Strategiefonds-Project 98/07 is the development of a complete and consistent analysis methodology for the hydrogen behaviour in core-melt accidents. The now existing tools permit a sufficiently precise 3d computation of the hydrogen and steam distribution in a complex reactor containment, the estimation of the maximum possible combustion velocities and the numerical 3d simulation of the respective combustion regime (slow deflagration, fast turbulent deflagration or detonation).

This analysis procedure was applied fully or in parts to severe accident sequences in pressurized and boiling water reactors (8 PWRs, 3 BWRs). The computations for German plants have supported the licensing process of catalytic recombiners in German PWRs by confirming the effectiveness of the utility concept with high resolution 3d simulations. The programs developed in this project for hydrogen distribution (GASFLOW) and turbulent combustion (COM3D) are now used by Framatome for design and proof of a hydrogen control concept in the European Pressurized Reactor (EPR). The theoretical and experimental know-how gained in the nuclear field will also be applied to non-nuclear hydrogen safety investigations.

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