Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7192

Calculations of QUENCH Tests with the FZK Bundle Code CALUMO

H. Steiner, M. Heck

Abstract
A series of out-of-pile quench tests is currently performed at the QUENCH facility of the Karlsruhe Research Center. Due to some non-prototypical features in the fuel rod and bundle design and in the whole test set-up, the results of these tests cannot directly be extrapolated and applied to reactor conditions. Therefore simulations of these quench tests with the help of computer codes are needed to achieve this aim.

This led to the development of the bundle code CALUMO. The simulation of the test conditions in the CALUMO code is based on the solution of balance equations for the fuel rod simulators, the shroud, and the coolant. The code calculates also the oxidation of the bundle, the hydrogen production and the steam consumption. Models for the behavior of boron carbide absorber rods have also been implemented, as well as a simple quench model. The main aim of the code was to have a simple tool for the investigation of the oxidation of the claddings and the shroud and the mechanisms leading to temperature escalations in the transient and re-flooding phase.

The CALUMO code has been validated in post test calculations for most of the QUENCH tests done so far. In this report results of the triplet of the tests QUENCH-07, QUENCH-08, and QUENCH-09 are presented and compared to results of the test instrumentation and to findings of post test examinations (PTE). The results of the code are in the overall encouraging, although still some improvement of the modeling is needed, especially with regard to relocation of liquid material. One big advantage of the code is the possibility to implement new models for material behavior rather easily and to test different oxidation correlations.

Rechnungen zu Quench Versuchen mit dem FZK Bündel Code CALUMO

Zusammenfassung
An der QUENCH Anlage des Forschungszentrums Karlsruhe werden zur Zeit eine Reihe von Abschreckversuchen von überhitzten Testbündeln aus elektrisch beheizten Brennstabsimulatoren durchgeführt. Wegen einiger nicht reaktortypischer Auslegungsmerkmale bei den Brennstäben und dem Bündel und auch beim gesamten Versuchsaufbau können die Ergebnisse dieser Tests nicht eins zu eins auf Reaktorbedingungen angewandt werden. Zu diesem Zweck müssen die Experimente durch Rechencodes simuliert werden.

Deshalb wurde der Bündelcode CALUMO entwickelt. Er basiert auf der Lösung von Bilanzgleichungen für die Bennstabsimulatoren, den Shroud und das Kühlmittel. Ebenfalls berechnet werden die Oxidation im Bündel, die Wasserstoffproduktion und der Verbrauch an Wasserdampf. Modelle für das Verhalten eines Borkarbid Abschaltstabes wurden in den Code eingebaut, ebenso wie ein einfaches Modell zum Abschrecken. Die Hauptabsicht bei der Entwicklung des Rechencodes war der Wunsch nach einem relativ einfachen Rechenwerkzeug, das es uns erlaubt, die Mechanismen, die zu Temperatureskalationen  und zu schweren Schäden im Bündel führen, zu untersuchen.

Der Rechencode CALUMO wurde anhand der bisher durchgeführten Tests des FZK QUENCH-Programms validiert. In diesem Bericht werden die Ergebnisse für das Triplett QUENCH-07, QUENCH-08 und QUENCH-09 vorgestellt und mit Ergebnissen der Instrumentierung und der Nachuntersuchung verglichen und diskutiert. Im Großen und Ganzen sind die Ergebnisse der Rechnungen ermutigend, obwohl noch Verbesserungen bei den Modellen durchaus notwendig sind, insbesondere die Beschreibung von Materialverlagerungen. Ein großer Vorteil des Rechencodes ist die Möglichkeit, mit relativ geringem Aufwand neue Modelle zum Materialverhalten einzubauen und auch die Auswirkungen verschiedener Oxidationskorrelationen für Zirkaloy zu untersuchen.

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