Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7087

Results of the QUENCH-10 Experiment on Air Ingress

G. Schanz, M. Heck, Z. Hozer, L. Matus, I. Nagy, L. Sepold, U. Stegmaier, M. Steinbrück, H. Steiner, J. Stuckert, P. Windberg

Abstract
The QUENCH experiments are to investigate the hydrogen source term resulting from the water injection into an uncovered core of a Light-Water Reactor (LWR). The QUENCH test bundle consists of 21 fuel rod simulators with a total length of approximately 2.5 m.

Experiment QUENCH-10 on air ingress conducted at the Karlsruhe Research Center on 21 July 2004 was the first of two experiments to be performed in the frame of the EC supported LACOMERA program. It was proposed by AEKI Budapest, Hungary, and defined together with the Karlsruhe Research Center, supported by Paul Scherrer Institut (PSI), Switzerland. The main objective of this test was to examine the oxidation and nitride formation of Zircaloy during air ingress, before flooding the bundle with water.

After a 113-min pre-oxidation phase at 1620-1690 K and an intermediate cooling phase from ~1690 to 1190 K lasting ~38 min the air ingress phase was initiated. In this phase the steam flow of 3 g/s was replaced by 1 g/s of air. The duration of this phase was ~30 min. Complete consumption of oxygen and partial consumption of nitrogen (about 0.1 g/s) were observed toward the end of this phase. The total uptakes of oxygen and nitrogen were about 84 and 8 g, respectively. Corner rods withdrawn from the bundle toward the end of the pre-oxidation and air ingress phases confirmed that the target oxide layer thickness of ~600 μm in the hot zone was achieved.

Reflood was conducted by injecting 50 g/s of water at the bottom of the test section. Bundle temperatures at the hot zone were then ~2200 K. Cooling was established almost immediately, and complete quenching of the bundle was achieved after about 100-150 s. A modest release of hydrogen, i.e. ~5 g, was observed during the early part of the reflood. Additionally, 3.5 g of the nitrogen were released, i.e. 44 % of N₂ previously taken up in the test section.

The evaluation of the hydrogen release rates gives 53 g of H₂ in total, 47.3 g of which was generated up to the beginning of the air ingress phase.

After the experiment the test bundle and its shroud appear severely damaged, i.e. completely oxidized, in the region between 750 and 1000 mm and is therefore extremely embrittled.

Ergebnisse des Experiments QUENCH-10 zum Lufteinbruch

Zusammenfassung
In den QUENCH-Versuchen wird der Wasserstoffquellterm bei der Einspeisung von Notkühlwasser in einen trockenen, überhitzten Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors (LWR) untersucht. Die Testbündel bestehen aus 21 Brennstabsimulatoren mit einer Gesamtlänge von ca. 2,50 m.

Das Experiment QUENCH-10 (Versuch zum Lufteinbruch), das am 21. Juli 2004 im Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt wurde, war das erste von zwei Experimenten, die im Rahmen des LACOMERA-Programms finanziell durch die EU mitgetragen wurden. Der Versuch wurde von AEKI Budapest, Ungarn, vorgeschlagen und zusammen mit dem Forschungszentrum Karlsruhe und unter Mitwirkung des Paul Scherrer Instituts, Schweiz, definiert. Das Hauptziel des Experiments war die Untersuchung der Oxidation und Nitridbildung von Zircaloy während eines Lufteinbruchs, vor dem Fluten des Bündels mit Wasser.

Nach einer Voroxidationsphase von 113 min bei 1620-1690 K und einer Zwischenkühlphase von ~1690 bis 1190 K, die ~38 min dauerte, wurde die Lufteinbruchsphase ausgelöst. In dieser Phase wurde der Dampfstrom von 3 g/s durch einen Luftmengenstrom von 1 g/s ersetzt. Zum Ende der ~30-minütigen Phase wurde ein vollständiger Verbrauch des Sauerstoffs und ein teilweiser Verbrauch des Stickstoffs (etwa 0.1 g/s) beobachtet. Die insgesamt konsumierten O₂- und N₂-Mengen betrugen 84 bzw. 8 g. Mittels Eckstäben, die zum Ende der Voroxidations- und der Lufteinbruchsphase aus dem Bündel entfernt wurden, wurde festgestellt, dass die angestrebte Oxidschichtdicke der heißen Zone von ~600 μm erreicht worden war.

Das Bündel wurde mit einer Wassereinspeiserate von 50 g/s vom Bündelfuß ausgehend geflutet. Die Bündeltemperaturen betrugen zu dieser Zeit ~2200 K. Nahezu unverzüglich erfolgte die Abkühlung, während das vollständige Abschrecken des Bündels etwa 100-150 s dauerte. Zu Beginn der Flutphase kam es zu einer mäßigen Wasserstofferzeugung (~5 g). Zusätzlich wurden etwa 3,5 g Stickstoff freigesetzt (entsprechend 44 % der N₂-Menge, die zuvor in der Teststrecke absorbiert worden war).

Die Auswertung der Wasserstofffreisetzungsrate ergibt eine Gesamtmenge von 53 g, wovon 47,3 g H₂ bis zum Beginn der Lufteinbruchsphase erzeugt wurden.

Nach dem Experiment zeigten sich Testbündel und Shroud in der Bündelhöhe zwischen 750 und 1000 mm als stark zerstört, d. h. vollständig oxidiert und daher extrem versprödet.

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