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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