Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6100

QUENCH-01 Experimental and Calculational Results

P. Hofmann, W. Hering, C. Homann, W. Leiling, A. Miassoedov,  D. Piel, L. Schmidt, L. Sepold, M. Steinbrück

Abstract
This report presents the results of Test QUENCH-01 performed in the QUENCH test facility at the Forschungszentrum Karlsruhe on February 26, 1998. 

The QUENCH experiments are to investigate the hydrogen source term that results from the water injection into an uncovered core of a Light-Water Reactor (LWR). The test bundle is made up of 21 fuel rod simulators with a length of approximately 2.5 m. 20 fuel rod simulators are heated over a length of 1024 mm, the one unheated fuel rod simulator is located in the center of the test bundle. The rod cladding is identical to that used in LWRs: Zircaloy-4, 10.75 mm outside diameter, 0.725 mm wall thickness. Heating is carried out electrically using 6-mm-diameter tungsten heating elements, which are installed in the center of the rods and which are surrounded by annular ZrO2 pellets. The test bundle is instrumented with 63 thermocouples attached to the cladding and the the shroud at 17 different elevations between -250 mm and 1350 mm. Cladding thermocouples are arranged at four different orientations.  The superheated steam together with the argon as carrier gas enters the test bundle at the bottom end and leaves the test section at the top together with the hydrogen that is produced in the zirconium-steam reaction. The hydrogen is analyzed by two different instruments: a mass spectrometer and a ”Caldos 7 G” hydrogen detection system.

The objective of Test QUENCH-01 was the investigation of the behaviour on reflood of partially oxidized PWR fuel rods, i. e. on test rods pre-oxidized to a maximum oxide layer thickness of 300 micrometres, and quenched from the bottom at a maximum temperature of 1870 K.

Test QUENCH-01 consisted of (a) a heatup phase, (b) a phase at ca. 1000 K in which small amounts of helium were injected into the test section to determine delay times for the hydrogen transport, (c) a second heatup phase, (d) a pre-oxidation phase at ca. 1400 K - 1600 K for 8280 s, (e) a transient phase, and (f) a quench phase. All phases except the quench phase were conducted in an argon/steam atmosphere. Withdrawing of one of the solid Zry corner rods from the hot bundle near the end of the pre-oxidation period showed that a maximum oxide layer thickness of 300 µm at 900 mm elevation was reached. Afterwards the test bundle was ramped at 0.5 K/s to a maximum rod cladding temperature of 1870 K (extrapolated at 950 mm elevation) and a maximum shroud temperature of 1800 K at the same elevation. At the end of the transient phase the shroud was heated up at a rate of 1.5 K/s at 1150 mm, i. e. above the heated zone. This suggests that the shroud material (Zircaloy-4) had experienced a moderate temperature escalation.

The quench phase was initiated by cutting off the argon and steam flow, filling the lower plenum with quench water at a high rate (80 g/s), injecting argon at the upper bundle head. Thirty seconds later the electrical power was reduced from 20 kW to 4 kW within 15 s, and the test section was reflooded from the bottom at 52 g/s H2O for 89 s achieving an injection velocity of 1.7 cm/s. During the reflood phase the bundle appeared to quench steadily with no evidence of any temperature excursion. The precursory cooling of the test rods, i. e. the cooldown prior to quenching, occurred simultaneously, namely within one second, for all axial positions and exactly at the time when the quench water level was at -250 mm. The maximum cooldown rates during quenching on the basis of the cladding thermocouple responses were determined to be between 100 and 430 K/s with the higher rates in the upper elevations of 1250/1350 mm. The cladding thermocouples showed sharp temperature decreases at temperatures occurring between 640 K at -250 mm and 1200 K at 1150 mm elevation. The propagation rates of this temperature decreases were between 0.4 cm/s and 7 cm/s. These rates seem to have the tendency to be larger at higher elevations.

The total amount of hydrogen generated during the pre-oxidation phase was 26 -30 g determined by the Caldos device and the mass spectrometer, respectively. In addition, 8 - 9 g are associated with the transient + reflood phase. The contribution from this phase is relatively small because no  temperature excursion took place.

The post-test appearance of the test bundle shows no signs of any melt but significant oxidation of the bundle between the 700 and 1100 mm elevations. In this region the oxide layer is of a gray color and some larger cracks in the cladding have formed. The shroud is intact and undeformed. All rod cladding thermocouples in the hot region are destroyed.

Experimentelle und Rechen-Ergebnisse des Versuchs QUENCH-01

Zusammenfassung
In diesem Bericht sind die Ergebnisse des Experiments QUENCH-01, das am 26. Februar 1998 in der QUENCH-Versuchsanlage des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt wurde, beschrieben. In den QUENCH-Versuchen soll der Wasserstoffquellterm, der sich bei einer Einspeisung von Notkühlwasser in einen trockenen, überhitzten Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors (LWR) ergibt, ermittelt werden. Das QUENCH-Testbündel ist mit 21 Brennstabsimulatoren einer Gesamtlänge von ca. 2,50 m bestückt. 20 Brennstabsimulatoren sind auf einer Länge von 1024 mm beheizt, der Zentralstab ist unbeheizt. Die Stabhüllen sind identisch mit LWR-Hüllrohren: Zircaloy-4, 10,75 mm Außendurchmesser und 0,725 mm Wanddicke. Die Brennstabsimulatoren werden elektrisch mit Hilfe von 6 mm-Wolfram-Stäben, die sich in der Mitte der Brennstabsimulatoren befinden und von ZrO2-Ringtabletten umgeben sind, direkt beheizt. Testbündel und Shroud sind mit 63 Thermoelementen instrumentiert. Sie sind auf 17 Messebenen von -250 mm bis 1350 mm angeordnet. An den Stabhüllen sind die Thermoelemente in vier Umfangslagen befestigt. Der überhitzte Dampf tritt zusammen mit Argon als Trägergas am unteren Ende in die Teststrecke ein und verläßt diese zusammen mit dem Wasserstoff, der sich durch die Zirkonium-Dampf-Reaktion gebildet hat, am oberen Ende. Der Wasserstoff wird mit Hilfe von zwei Messgeräten analysiert: einem Massenspektrometer und einem Caldos-7G-Analysegerät.

Ziel des Versuchs QUENCH-01 war die Untersuchung des Verhaltens von teilweise oxidierten DWR-Brennstäben während der Flutung eines Reaktorkerns mit Notkühlwasser. Die Versuchsstäbe wurden in der QUENCH-Anlage bis zu einer maximalen Oxidschichtdicke von 300 µm voroxidiert und von einer maximalen Temperatur von 1870 K abgeschreckt. Test QUENCH-01 bestand aus folgenden Versuchsphasen: (a) einer Aufheizphase, (b) einer Phase, in der Laufzeitmessungen mit Helium-Einspeisung bei ca. 1000 K zur Feststellung der Verzögerungszeiten bezügl. des Wasserstoff-Transports durchgeführt wurden, (c) einer zweiten Aufheizphase, (d) einer Voroxidationsphase, (e) einer transienten (Aufheiz-)phase und (f) einer Abschreck- bzw. Quench-Phase. Alle Testphasen außer der Quench-Phase wurden in einer Argon/Dampf-Atmosphäre durchgeführt. Die Voroxidation fand bei ca. 1400 K bis 1600 K bei einer Zeitdauer von 8280 s statt. Diese Bedingungen ergaben eine maximale Oxidschichtdicke von 300 µm in der 900 mm-Ebene. Kurz vor dem Ende der Voroxidationsphase wurde bei hohen Betriebstemperaturen, d. h. ohne Unterbrechung des Versuchsbetriebs, ein 6 mm-Zircaloy-Eckstab aus dem Bündel gezogen und die Oxidschichtdicke bestimmt. Nach der Voroxidation wurde das Versuchsbündel mit einer Aufheizrate von 0,5 K/s auf die maximale Stab-Hüllrohrtemperatur von 1870 K (extrapolierter Wert in der 950 mm-Ebene) bzw. auf eine maximale Shroud-(Dampfführungsrohr)-temperatur von 1800 K – auf der gleichen Höhenkote – gebracht. Die höhere Aufheizrate des Shrouds von 1,5 K/s in der 1150 mm-Ebene, d. h. oberhalb der beheizten Zone, gegen Ende der Transiente läßt vermuten, dass das Shroudmaterial (Zircaloy-4) eine moderate Temperatureskalation erlebt hat.

Die Quench-Phase wurde mit dem Abschalten der Argon/Dampf-Zufuhr, dem Auffüllen des unteren Bündel-Plenums mit einem erhöhten Quench-Wasserstrom (80 g/s) und der Argon-Einspeisung am oberen Bündelkopf vorbereitet. 30 Sekunden nach dieser Aktion wurde die Bündelheizung innerhalb von 15 s von 20 kW auf 4 kW heruntergefahren und die Teststrecke mit einer Wassereinspeiserate von 52 g/s für eine Zeitdauer von 89 s – entsprechend einer Einspeiserate von 1,7 cm/s – von unten her geflutet. Während dieser Flutphase war keine Temperaturexkursion im Versuchsbündel erkennbar. Die Kühlung der Teststäbe (vor dem Abschrecken) geschah für alle axialen Ebenen gleichzeitig, nämlich innerhalb einer Sekunde, und zwar bereits zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Wasserspiegel bei -250 mm befand. Die maximalen Abkühlraten während des Abschreckens wurden auf der Grundlage der gemessenen Temperaturen zu 100 bis 430 K/s bestimmt, wobei die höheren Werte von den Thermoelementen der Ebenen 1250/1350 mm stammen. Die Quench-Temperaturen, die auf der Grundlage der Hüllrohr-Thermoelemente ermittelt wurden, lagen zwischen 641 K bei -250 mm und 1199 K bei 1150 mm Höhe. Die Abschreckgeschwindigkeiten lagen zwischen 1 cm/s und 7 cm/s. Diese Abschreckraten scheinen die Tendenz zu haben, dass sie in den oberen Ebenen größer werden.

Die Gesamtmenge an Wasserstoff, die während der Voroxidationsphase erzeugt wurde, ist am Massenspektrometer und Caldos-Gerät mit 30 bzw. 26 g gemessen worden. Zusätzlich entstanden während der Transiente und der Flutphase 8 – 9 g H2. Der Beitrag dieser Phase ist so gering, weil keine Temperaturexkursion stattfand.

Nach dem Experiment läßt das Versuchsbündel keinerlei Schmelze, dafür aber eine deutliche Oxidationszone zwischen 700 und 1100 mm Höhe erkennen. In diesem Bereich weist die Oxidschicht eine graue Farbe und einige größere Risse in den Hüllrohren auf. Das Dampfführungsrohr (Shroud) ist unversehrt. Alle Hüllrohr-Thermoelemente, die in der heißen Zone eingesetzt waren, sind zerstört.

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