Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7247

Results of Boil-off Experiment QUENCH-11

W. Hering, P. Groudev, M. Heck, Ch. Homann, G. Schanz, L. Sepold, A. Stefanova, U. Stegmaier, M. Steinbrück, H. Steiner, J. Stuckert

Abstract
The QUENCH experiments are to investigate the hydrogen source term resulting from the water injection into an uncovered core of a Light-Water Reactor (LWR). The typical QUENCH test bundle consists of 21 fuel rod simulators with a total length of approximately 2.5 m.

Boil-off experiment QUENCH-11 was performed at Forschungszentrum Karlsruhe (Karlsruhe Research Center) on 8 December, 2005 as the second of two experiments in the frame of the EC-supported LACOMERA program. The experiment focused on studying bundle behavior during boil-off and subsequent quenching at a small water injection rate. It was proposed by INRNE Sofia (Bulgarian Academy of Sciences) and defined together with the Karlsruhe Research Center. The analytical support by using the SCDAP/RELAP5 mod 3.2.irs and ASTEC codes for the preparation of the entire test was essential in conducting the test.

A steady boil-off and a corresponding top-down uncovery of the test bundle was achieved by applying power from an electric auxiliary heater at the bundle bottom in addition to the electric bundle power. An additional outer heating system compensated heat losses that would lead to a reduction in boiling off the covered part of the bundle. When the water level had fallen to -70 mm elevation water was injected into the lower plenum at a rate of ca. 1 g/s enabling a nearly stable water level and an extension of the boil-off phase. Quenching of the bundle was performed at a maximum measured bundle temperature of 2040 K with a rather low mass flow rate of water, i.e. 18 (17+1) g/s, compared to the standard water injection rate of approx. 50 g/s.

The conditions led to an enhanced cladding and shroud oxidation, quite similar to standard conditions of forced-convection steam flow. In the upper part the test bundle was significantly degraded by oxidation and melt formation.

The total generation of hydrogen measured by the mass spectrometer was 141 g, of which 132 g, i.e. more than 90 % of the total, was produced during the reflood phase. Based on posttest bundle examinations the integral hydrogen release was additionally estimated by consideration of all oxidized components. 92 g (64 %) of the hydrogen released was produced by the oxidation of prototypical bundle components, usually considered in SFD code systems, i.e. cladding tubes, corner rods, spacer grids, and inner shroud surface. 51 g hydrogen resulted from the oxidation of shroud outer surface and melt, heaters, electrodes.

After the experiment it was decided to choose QUENCH-11 as a benchmark exercise comparing code results with experimental data. The exercise is managed by INRNE Sofia, Bulgaria, in the frame of the European SARNET program. Computational results were received from the different computer codes: ASTEC, ICARE-CATHARE, MELCOR, SCDAP/RELAP5, RELAP/SCDAPSIM, RATEG/SVECHA, and ATHLET-CD.

Ergebnisse des Ausdampf-Experiments QUENCH-11

Zusammenfassung
In den QUENCH-Versuchen wird der Wasserstoffquellterm bei der Einspeisung von Notkühlwasser in einen trockenen, überhitzten Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors (LWR) untersucht. Die Standard-Testbündel bestehen aus 21 Brennstabsimulatoren mit einer Gesamtlänge von ca. 2,50 m.

Der Ausdampf-Versuch QUENCH-11 wurde am 8. Dezember 2005 im Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt. Es war das zweite Experiment im Rahmen des EU-geförderten LACOMERA-Programms. Das Experiment wurde von INRNE Sofia (Bulgarische Akademie der Wissenschaften) vorgeschlagen und zusammen mit dem Forschungszentrum Karlsruhe definiert. Das Ziel war die Untersuchung des Bündelverhaltens während des Ausdampfens und des nachfolgenden Abschreckens mit reduzierter Wassereinspeiserate. Die analytische Unterstützung durch Einsatz der Rechenprogramme SCDAP/RELAP5 mod 3.2.irs und ASTEC waren für die Durchführung des Versuchs von entscheidender Bedeutung.

Beständiges Ausdampfen mit entsprechendem Absenken des Wasserniveaus im Versuchsbündel wurde durch die elektrische Bündelheizung und eine elektrische Zusatzheizung im Bündelfuß erreicht. Äußere Heizbänder sorgten außerdem für die Kompensation der Wärmeverluste, die sonst eine geringere Ausdampfung im oberen Bündelbereich zur Folge gehabt hätten. Sobald der Wasserspiegel auf die Bündelhöhe -70 mm abgefallen war, wurde Wasser mit ca. 1 g/s in das Bündel eingespeist. Dadurch wurde der Wasserstand stabilisiert, während die Ausdampfphase fortgesetzt wurde. Das Abschrecken des Testbündels mittels Wasser erfolgte bei einer Maximaltemperatur von 2040 K mit einer im Vergleich zur üblichen Einspeisung von 50 g/s geringen Flutrate von 18 (17+1) g/s.

Die Ausdampfphase sorgte für eine verstärkte Oxidation der Hüllrohre und des Dampfführungsrohrs, ähnlich derjenigen bei einer “erzwungenen” Dampfströmung. Der obere Teil des Testbündels wurde durch Oxidation und Schmelzebildung stark zerstört.

Die gesamte erzeugte Wasserstoffmenge wurde mit dem Massenspektrometer zu 141 g gemessen. 132 von den 141 g, d. h. mehr als 90 % der Gesamtmenge, wurde während der Flutphase gebildet. Zusätzlich wurde die integrale Wasserstofffreisetzung auf der Grundlage der Nachuntersuchungen aller oxidierten Bündelkomponenten abgeschätzt: 92 g (64 %) des freigesetzten Wasserstoffs wurde durch die Oxidation prototypischer Bündelmaterialien erzeugt, d. h. Bündelkomponenten, die üblicherweise in SFD-Rechenprogrammen betrachtet werden (wie Hüllrohre, Eckstäbe, Abstandshalter und die Innenseite des Dampfführungsrohrs). 51 g Wasserstoff resultieren von der Oxidation der Dampfführungsrohr-Außenseite, von Heizern, Elektroden und der Schmelze.

Nach dem Experiment wurde entschieden, die QUENCH-11-Daten für einen Rechenprogramm-Benchmark anzubieten, bei dem die Rechenergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen werden. Federführend bei dessen Durchführung ist das INRNE-Institut in Sofia, Bulgarien, im Rahmen des Europäischen SARNET-Programms. Die beteiligten Rechenprogramme: ASTEC, ICARE-CATHARE, MELCOR, SCDAP/RELAP5, RELAP/SCDAPSIM, RATEG/SVECHA und ATHLET-CD.

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