Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7101

Analysis and Comparison of Experimental Data of Bundle Tests QUENCH-07 to QUENCH-09 about B4C Control Rod Behaviour

C. Homann, W. Hering, G. Schanz

Abstract
The three out-of-pile bundle tests QUENCH-07 to -09, performed at Forschungszentrum Karlsruhe, are dedicated to investigate B₄C control rod behaviour and its influence on the fuel rods during a wide range of severe accident conditions under low system pressure in a Western type light water reactor. The experimental data, mainly those that are recorded during the tests, are analysed in detail for a deeper understanding of the tests with respect to control rod degradation and other aspects, but also for a basis to improve modelling in severe accident codes. Computational analyses are left out intentionally to demonstrate the value of the experimental data alone. Important findings are listed below.

A general comparison of the test conducts shows that the experimental conditions of the early test phases were reproduced to a high degree. However, the high temperature regime before cool-down initiation was about 80 s longer in QUENCH-07 than in QUENCH-08, so that a direct comparison of experimental data of these two tests that includes the whole second transient of both tests or the subsequent cool-down phase is unreasonable and may lead to wrong conclusions.

In both B₄C tests QUENCH-07 and -09, the control rod failed near the upper end of the heated zone during the first transient and in two steps; both steps are due to the formation of eutectic melts. In both tests, the steel clad failed at a temperature of about 1550 K. 114 s (QUENCH-07) and 310 s (QUENCH-09) later, the metallic parts, if still existing, as well as the oxide scale of the guide tube failed. B₄C oxidation can only occur after the second event, if enough steam is available in the bundle, as it is the case in QUENCH-07.

In both tests QUENCH-07 and -09, the contribution of B₄C oxidation to total hydrogen production is assessed to keep generally below 10 % for hydrogen generation rate, total hydrogen production, as well as total chemical energy release. Uncertainties are quite large in the late phase of the tests because of the complex processes at that time. Comparison of QUENCH-07 and -08 shows that also indirect contributions of B4C oxidation, e.g. by local temperature increase, are rather limited, at least up to cool-down initiation in QUENCH-08. For the subsequent time, no conclusion can be drawn, because the conduct of the two tests was too different.

During cool-down, the steam mass flow rate is not well known and hydrogen generation rate and cumulated hydrogen production are overestimated, at least in QUENCH-07. For computational analyses and model development, these experimental restrictions should be kept in mind. The consequences of insufficient synchronisation of computers in QUENCH-07 could largely be corrected.

The analysis of the experimental data confirms that material behaviour is not the result of an isolated process, but of an interaction with thermal-hydraulic environment. It also confirms that the whole system must be considered and the whole amount of data must be used for reliable test interpretations.

Analyse und Vergleich der experimentellen Daten der Bündelversuche QUENCH-07 bis QUENCH-09 über B4C-Kontrollstabverhalten

Zusammenfassung
In den drei out-of-pile Bündel-Versuchen QUENCH-07 bis -09, die im Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt wurden, soll das Verhalten von B₄C-Kontrollstäben und ihr Einfluss auf Brennstäbe in einem weiten Bereich von Unfallbedingungen bei niedrigem Systemdruck in einem Leichtwasserreaktor westlicher Bauart untersucht werden. Die experimentellen Daten, vor allem die, die während der Versuche aufgenommen wurden, werden im Detail analysiert, um zu einem tieferen Verständnis der Versuche sowohl zum Verhalten der Kontrollstäbe als auch zu anderen Fragen zu kommen und um eine Grundlage für die Modellierung in Rechenprogrammen zur Beschreibung schwerer Unfälle zu schaffen. Rechnungen werden absichtlich nicht behandelt, um den eigenständigen Wert der experimentellen Daten zu zeigen. Im Folgenden werden wichtige Ergebnisse aufgeführt.

Ein allgemeiner Vergleich der Versuchsabläufe zeigt, dass die frühen Testphasen in großem Umfang reproduziert wurden. Jedoch dauerte in QUENCH-07 die Hochtemperaturphase vor der Abkühlung mit Dampf etwa 80 s länger als in QUENCH-08, so dass ein direkter Vergleich der experimentellen Ergebnisse dieser beiden Versuche nicht sinnvoll ist und zu falschen Schlussfolgerungen führen kann, wenn er die gesamte zweite Transiente oder die folgende Abkühlung enthält.

Der Kontrollstab versagte in beiden B₄C Versuchen in zwei Stufen während der ersten Transiente nahe dem oberen Ende der beheizten Zone durch die Bildung eutektischer Schmelzen. Zunächst versagte das Hüllrohr bei etwa 1550 K. 114 s (QUENCH-07) und 310 s (QUENCH-09) später versagte das Führungsrohr mit seinem metallischen Teil, falls noch vorhanden, und seiner Oxidschicht. Oxidation von B₄C kann erst nach dem zweiten Ereignis stattfinden, falls genügend Dampf im Bündel vorhanden ist wie bei QUENCH-07.

In QUENCH-07 als auch in QUENCH-09 wurde abgeschätzt, dass der Beitrag der Oxidation von B₄C zur gesamten Wasserstoffproduktionsrate, der gesamten Wasserstoffmenge und der damit verbundenen Energiefreisetzung im Wesentlichen unter 10 % liegt. Wegen der komplexen Vorgänge in der Abkühlphase ist die Unsicherheit in dieser Phase recht groß. Ein Vergleich von QUENCH-07 und QUENCH-08 zeigt, dass auch der indirekte Einfluss, z.B. durch lokale Temperaturerhöhung, bis zum Beginn der Abkühlung in QUENCH-08 recht begrenzt ist. Für die Abkühlungsphase können keine Schlüsse gezogen werden, weil die Versuchsführungen zu unterschiedlich waren.

Während der Abkühlung – vor allem in QUENCH-07 – ist der Dampfmassenstrom durch Kondensation und Verdampfung nicht genau bekannt und die Wasserstoffproduktionsrate und -menge sind überschätzt. Für Rechnungen und Modellentwicklungen sollten diese experimentellen Einschränkungen berücksichtigt werden. Die Folgen einer ungenügenden Synchronisation der Rechner im Versuch QUENCH-07 wurden weitgehend berichtigt.

Die Analyse der experimentellen Daten bestätigt, dass das Materialverhalten nicht isoliert von der Wechselwirkung mit dem thermohydraulischen Umfeld gesehen werden kann. Sie bestätigt auch, dass für verlässliche Interpretationen der Versuche das gesamte System und der gesamte Umfang der Daten betrachtet werden müssen.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK