Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7244

The COMET-L3 Experiment on Long-Term Melt –Concrete Interaction and Cooling by Surface Flooding

H. Alsmeyer, T. Cron, B. Fluhrer, G. Messemer, A. Miassoedov, S. Schmidt-Stiefel, T. Wenz

Abstract
The COMET-L3 experiment considers the long-term situation of corium/concrete interaction in an anticipated core melt accident of a light-water-reactor, after the metal melt is layered beneath the oxide melt. The experimental focus is on cavity formation in the basemat and the risk of long term basemat penetration. The experiment investigates the two-dimensional concrete erosion in a cylindrical crucible fabricated from siliceous concrete in the first phase of the test, and the influence of surface flooding in the second phase. Decay heating in the two-component metal and oxide melt is simulated by sustained induction heating of the metal phase that is overlaid by the oxide melt.

The inner diameter of the concrete crucible was 60 cm, the initial mass of the melt was 425 kg steel and 211 kg oxide at 1665°C, resulting in a melt height of 450 mm. The net power to the metal melt was about 220 kW from 0 s to 1880 s, when the maximum erosion limit of the crucible was reached and heating was terminated.

In the initial phase of the test (less than 100 s), the overheated, highly agitated metal melt causes intense interaction with the concrete, which leads to fast decrease of the initial melt overheat and reduction of the initially high concrete erosion rate. Thereafter, under quasistationary conditions until about 800 s, the erosion by the metal melt slows down to some 0.07 mm/s into the axial direction. Lateral erosion is a factor 3 smaller. Video observation of the melt surface shows an agitated melt with ongoing gas release from the decomposing concrete. Several periods of more intense gas release, gas driven splashing, and release of crusts from the concrete interface indicate the existence and iterative break-up of crusts that probably form at the steel/concrete interface.

Surface flooding of the melt is initiated at 800 s by a shower from the crucible head with 0.375 litre water/s. Flooding does not lead to strong melt/water interactions, and no entrapment reactions or penetration of water into the melt did occur. A nearly closed surface crust forms within 60 s after start of flooding and quenches after not more than 140 s. Residual holes in the crust are closed and the crust separates the coolant water overlayer and the hot melt below. Concrete erosion continues - although reduced - with some 0.040 mm/s, and eventually the melt reaches the maximum erosion limit of the crucible, at what time the simulated decay power is cut off. Two volcanic melt eruptions, that developed at the crust surface for a duration of 2 min each, had minor influence on coolabilty, as only 2.8 kg oxide particles were ejected into the overlaying water pool. Finally, the volcanic vents were blocked, and there are no indications that water ingression occurred through the surface crust.

Post test analysis of the solidified melt was performed after the crucible was sectioned. The solidified melt shows no indication of water ingression from the upper surface. Tight crusts explain poor heat removal to the flooding water and the ongoing concrete erosion also after top flooding.

The experiment shows many phenomena that are important to understand and to model the late phase of a core melt accident, and shall be used for model and code validation. Detailed experimental data are given, especially for concrete erosion by the metal melt, for time dependent cavity formation, and for the influence of surface flooding.

Das COMET-L3 Experiment zur langzeitigen Schmelze-Beton-Wechselwirkung und zur Flutung der Schmelzenoberfläche

Zusammenfassung
Das COMET-L3 Experiment untersucht die Langzeitsituation der Schmelze-Beton-Wechselwirkung bei einem unterstellten Kernschmelzunfall in einem Leichtwasser-Reaktor, nachdem die Metallschmelze unter der Oxidschmelze geschichtet ist. Das Experiment zielt auf die Ausbildung der Kaverne im Fundament des Reaktors sowie auf das Risiko der langzeitigen Fundamentdurchdringung. In einem zylindrischen Tiegel, gefertigt aus silikatischem Beton, wird in der ersten Phase des Experiments die zwei-dimensionale Betonerosion untersucht, und in der anschließenden zweiten Phase der Einfluss von Wasseraufgabe auf die Schmelze. Die Simulation der Nachwärme in der 2-komponentigen Metall- und Oxidschmelze erfolgt durch fortwährende induktive Beheizung der Metallschmelze, die von der Oxidschmelze überdeckt ist.

Der Innendurchmesser des Betontiegels betrug 60 cm; die Anfangsmasse der Schmelze war 425 kg Stahl plus 211 kg Oxid von anfangs 1665°C, mit einer Höhe der Gesamtschmelze von 450 mm. Die Nettoleistung, die in die Metallschmelze eingebracht wurde, betrug etwa 220 kW von 0 bis 1880 s. Zu diesem Zeitpunkt wurde die maximale Erosion des Tiegels erreicht und die Beheizung beendet.

In der ersten Phase des Versuchs bis etwa 100 s gab es eine heftige Wechselwirkung der überhitzten, stark bewegten Metallschmelze mit dem Beton. Diese führt zu einer schnellen Abnahme der anfänglichen Übertemperatur der Schmelze und einer Reduktion der zunächst hohen Erosionsrate des Betons. Danach herrschen quasi-stationäre Bedingungen bis etwa 800 s, wobei sich die Erosion durch die Metallschmelze in axialer Richtung auf etwa 0,07 mm/s verlangsamt. Die Erosion in seitlicher Richtung ist etwa um den Faktor 3 geringer. Die Videobeobachtung der Schmelzenoberfläche zeigt eine bewegte Schmelze mit andauernder Gasfreisetzung aus der Betonzersetzung. Mehrere Phasen mit stärkerer Gasfreisetzung, gas-getriebenem Auswurf von Schmelze und aus der Schmelze aufschwimmende Krusten verweisen auf die Existenz und das wiederholte Aufbrechen von Krusten, die sich wahrscheinlich an der Kontaktfläche Stahlschmelze/Beton bilden.

Die Flutung der Schmelzenoberfläche wird nach 800 s durch Aktivierung einer Brause mit 0,375 Liter Wasser je s eingeleitet. Die Flutung erzeugt keine heftigen Reaktionen zwischen Wasser und Schmelze. Es treten auch keine Entrapmentreaktionen oder Eindringen von Wasser in die Schmelze auf. Innerhalb von 60 s nach Start der Flutung bildet sich eine nahezu geschlossen Oberflächenkruste, die nach nur 140 s gequenched ist. Verbliebene Öffnungen in der Kruste schließen sich, und damit trennt die Kruste die oben liegendeWasserschicht und die untere heiße Schmelze. Die Erosion des Betons schreitet weiter fort – allerdings verlangsamt – mit etwa 0,040 mm/s, und schließlich erreicht die Schmelze die maximale Erosionsgrenze des Betontiegels, was zum Abschalten der Nachwärmeleistung führt. Zwei vulkanische Eruptionen von Schmelze, die sich an der Oberflächenkruste für jeweils 2 Minuten entwickelten, hatten geringen Einfluss auf die Kühlbarkeit, da lediglich 2,8 kg Oxidpartikel in die Wasserschicht ausgetragen wurden. Schließlich wurden die Vulkanöffnungen blockiert, und es gibt keine Hinweise, dass ein Eindringen von Wasser durch die Oberflächenkruste erfolgte.

Nachuntersuchungen an der erstarrten Schmelze wurden nach Durchtrennen des Tiegels durchgeführt. Die erstarrte Schmelze gibt keine Hinweise auf das Eindringen von Wasser von oben. Dichte Krusten sind der Grund dafür, dass die Wärmeabfuhr an das Wasser gering war und dass die Betonerosion nach der Flutung weiterging.

Das Experiment zeigt viele Phänomene auf, die wichtig sind, um die späte Phase eines Kernschmelzunfalls verstehen und modellieren zu können. Es soll für die Überprüfung von Modellen und Rechenprogrammen eingesetzt werden. Dazu werden detaillierte experimentelle Daten angegeben, insbesondere zur Betonerosion durch die Metallschmelze, für die zeitabhängige Ausbildung der Kaverne und für den Einfluss der Oberflächenflutung.

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