Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7118
Modelling of B4C
oxidation by steam at high temperatures based on separate-effects tests and its
application to the bundle experiment QUENCH-07
M.S. Veshchunov, A.V.
Berdyshev, A.V. Boldyrev, A.V. Palagin, V.E. Shestak, M. Steinbrück, J.
Stuckert
Abstract
A new model on B4C
oxidation in steam at temperatures above 800 °C is developed by the Nuclear
Safety Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow (IBRAE) based on the
analysis of the BOX Rig tests performed at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK).
The model considers the surface reaction kinetics and mass transport in the gas
phase as rate determining steps of the oxidation process.
A full set of
independent chemical reactions is considered in the new B4C oxidation model.
Correspondingly, the full set of mass action laws for equilibrium gas reactions
either on the surface or in the gas bulk, is used.
For non-equilibrium
surface reactions a semi-empirical correlation for the reaction rate is deduced
from the analysis of the BOX Rig test results. In this approach, the main
inconsistency of many other B4C oxidation models is eliminated. As a result, a
more precise solution for hydrogen release and additionally, a chemical
composition of the outlet gas mixture, can be calculated by the advanced model.
The new module of
the B4C oxidation in steam has been implemented in the SVECHA/QUENCH (S/Q) code
and verified against the BOX Rig tests.
The SVECHA/QUENCH
code was further applied to simulation of the bundle test QUENCH-07 with the
central absorber B4C rod. The simulation was performed within the framework of
the ‘effective channel approach’ using corrected average
temperature field. Data concerning release rate of B4C oxidation products were
analysed.
The new model might
be recommended for implementation in the various integral codes for adequate
simulation of the absorber rods oxidation during severe accidents in the NPP. A
simplified version of the model has been already implemented in the Russian SA
code RATEG/SVECHA and allowed reasonable predictions in plant calculations.
Entwicklung eines
Modells zur Oxidation von B4C in Dampf bei hohen Temperaturen auf der Basis von
Einzeleffektuntersuchungen und Anwendung auf das Bündelexperiment QUENCH-07
Zusammenfassung
Basierend auf
Einzeleffektuntersuchungen in der FZK BOX-Anlage wurde bei IBRAE, Moskau, ein
Modell zur Beschreibung der Oxidation von B4C bei hohen Temperaturen
entwickelt. Das Modell berücksichtigt die Reaktionskinetik an der
Probenoberfläche und den Massetransport in der Gasphase als
geschwindigkeitsbestimmende Mechanismen.
Das Modell
beinhaltet den kompletten Satz unabhängiger chemischer Reaktionen bei der
Oxidation von Borkarbid sowie einen kompletten Satz von Gleichungen für das
Massenwirkungsgesetz in der Gasphase.
Im Gegensatz zu
anderen Modellansätzen wurde hier für die Nichtgleichgewichtsreaktionen an der
Oberfläche aus den BOX-Experimenten eine semi-empirische Korrelation für die
Reaktionsrate ermittelt. Dieses Vorgehen erlaubt eine genauere Berechnung der
Freisetzungsraten von Wasserstoff und anderen Gasen bei der Oxidation von
Borkarbid.
Das neue Modell
wurde in den SVECHA/QUENCH (S/Q) Code implementiert und an den BOX-Ergebnissen
verifiziert.
Weiterhin wurde der
S/Q Code zur Simulation des QUENCH-07 Experiments mit B4C Absorberstab
angewandt. Dazu wurde das "effective channel" Modell verwendet und
zur Berechnung der Gasfreisetzung im Bündel angewandt.
Das neue Modell
steht zur Implementierung in andere Computerprogramme zur Simulation schwerer
Störfälle zur Verfügung, eine vereinfachte Version wurde bereits mit guten
Ergebnissen in den russischen Störfall-Code RATEG/SVECHA eingebaut.
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