Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7214

The COMET-L2 Experiment on Long-Term MCCI with Steel Melt

G. Sdouz, R. Mayrhofer, H. Alsmeyer, T. Cron, B. Fluhrer, J. Foit, G. Messemer, A. Miassoedov, S. Schmidt-Stiefel, T. Wenz

Abstract
Former results in the molten-core-concrete interaction (MCCI) research indicate a possible penetration of a PWR cavity during a severe accident. To investigate the coolability of molten core the COMET facility was commissioned. The LACOMERA project is a 3 year shared-cost action within the Fifth Framework Programme. The overall objectives of the LACOMERA project are to provide research institutions from the EU member countries and associated states access to large scale experimental facilities which shall be used to increase the knowledge of the quenching of a degraded core and regaining melt coolability in the reactor pressure vessel, of possible melt dispersion to the cavity, of MCCI and of ex-vessel melt coolability.

The experiment COMET-L2 is designed to answer following questions: investigation of long-term MCCI of metallic corium in cylindrical siliceous concrete cavity under dry conditions with decay heat simulation of intermediate power during test phase 1, and subsequently at reduced power during test phase 2. Observation of downward and sideward cavity erosion rates, cavity shape, and related processes.

The experiment is performed in a cavity of siliceous concrete, initial inner diameter 595 mm. The mass of the metal melt is 430 kg, overlaid by 35 kg oxide melt. Decay heat was simulated by induction heating of the metal phase with a typical power of 200 kW, representing accident conditions in the late ex-vessel phase. Erosion of the concrete, temperatures of the melt, and erosion rates are measured. Unfortunately, the gas measurement system failed. In the first phase of the interaction, initial overheat of the melt is quickly reduced, while erosion rates into the axial and lateral directions are similar. When stationary conditions are achieved, the axial erosion seems more pronounced. Reasons for the differences between axial and radial erosion following the initial transient phase, and notably also the local inhomogeneities in axial ablation, may lie in the melt heating by a planar induction coil. This technique could possibly have resulted in inhomogeneous distribution of power in the melt, with a larger proportion close to the axial ablating concrete thus promoting axial ablation. The axial ablation might have been further amplified by possible positive feedback due to progression of the erosion front towards the coils, which eventually led to the cone-shaped erosion profile.

Details of the experiment are reported to be used for validation of models and computer codes for safety assessment.

Das COMET-L2 Experiment zur Langzeiterosion von Beton durch einer Metallschmelze

Zusammenfassung
Frühere Ergebnisse bei der Untersuchung von Beton-Schmelze-Wechselwirkung (MCCI) können ein mögliches Durchdringen eines Druckwasserreaktor – Betonfundaments nicht ausschließen. Zur Untersuchung der Kühlbarkeit von Kernschmelzen im Fundamentbereich wurde die COMET Anlage errichtet. Um Mitgliedern der EU den Zugang zu Versuchsanlagen zu ermöglichen, wurde im 5.Rahmenprogramm die Shared Cost Action LACOMERA (LArge scale experiments on COre degradation, MElt Retention And coolability) durchgeführt.

Das Experiment COMET-L2 untersucht im Wesentlichen folgende offenen Fragen: Untersuchung der langzeitigen MCCI einer metallischen Schmelze in einer zylindrischen Betonkaverne ohne Anwesenheit von Wasser mit einer Simulation der Nachzerfallswärme mittlerer Leistung während der Testphase 1. In der zweiten Phase wurde die Leistung reduziert. Im weiteren Beobachtung von axialer und radialer Erosion in der Kaverne, deren Form und damit in Zusammenhang stehende Phänomene.

Das Experiment wird in einer Kaverne mit einem Anfangsdurchmesser von 595 mm durchgeführt, gefertigt aus Beton mit silikatischen Zuschlägen. Die Schmelze besteht aus 430 kg Metall, überschichtet von 35 kg Oxidschmelze. Die nukleare Nachwärme wird durch induktive Beheizung der Metallphase simuliert, mit einer typischen Leistung von etwa 200 kW. Dies stellt die Unfallbedingungen in der späten Phase der Fundamenterosion dar. Es werden die Erosion des Betons und die Temperaturen der Schmelze gemessen. Leider versagte die Anlage zur Gasmessung von Beginn an. In der ersten Phase der Wechselwirkung mit dem Beton beobachtet man eine schnelle Abnahme der Temperatur der Schmelze, bei etwa gleichen Erosionsraten nach unten und zur Seite. Nach Erreichen von nahezu stationären Bedingungen scheint die Erosion nach unten vorzuherrschen. Die Gründe für diese Unterschiede zwischen radialer und axialer Erosion und den lokalen Inhomogenitäten in axialer Richtung liegen möglicherweise in der Erwärmung durch eine induktive Heizung. Diese Technik ist vermutlich verantwortlich für eine inhomogene Verteilung der Leistung in der Schmelze und bevorzugt die axiale Erosion. Dieser Effekt wird bei der Annäherung der Erosionsfront an die Spule verstärkt, und ruft das kegelförmige Erosionsprofil hervor.

Die Einzelheiten des Experiments werden berichtet. Sie können verwendet werden, um Modelle und Rechenprogramme zur Sicherheitsanalyse von Reaktoren zu validieren.

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