Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6295

Experimental and Calculational Results of the Experiments QUENCH-02 and QUENCH-03

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

Abstract
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. Heating is carried out electrically using 6-mm-diameter tungsten heating elements installed in the center of the rods and surrounded by annular ZrO2 pellets. The rod cladding is identical to that used in LWRs: Zircaloy-4, 10.75 mm outside diameter, 0.725 mm wall thickness. The test bundle is instrumented with thermocouples attached to the cladding and the shroud at 17 different elevations with an axial distance between the thermocouples of 100 mm.

During the heatup or transient phase 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 measuring device (a heat conductivity measurement system).

This report presents the results of Tests QUENCH-02 and QUENCH-03 performed in the QUENCH test facility at the Forschungszentrum Karlsruhe on July 7, 1998 and January 20, 1999, respectively. The objective of Experiments QUENCH-02 and QUENCH-03 was the investigation of the behavior on reflood of PWR fuel rods with little oxidation, i.e. on test rods without a pre-oxidation phase (reference tests to those with a pre-oxidation phase).

Both experiments consisted of a heatup phase to temperature plateau of around 900 K, a transient phase, and a quenching phase. All phases except the quenching phase were conducted in an argon/steam atmosphere. At the beginning of the transient phase both test bundles were ramped at around 0.4 K/s in the temperature range 900 – 1400 K and 1.6 K/s (QUENCH-02) and 1.0 K/s (QUENCH-03) from 1400 K to the temperature excursion which led to a maximum rod cladding temperature of 2500 K. 

The quench phase was initiated by turning off the argon and steam flow, filling the lower plenum with quench water at a high rate (90 g/s), and injecting argon at the bundle head. About 25 s later the test section was reflooded from the bottom at 40 - 50 g/s H2O achieving an injection velocity of 1.6 cm/s (QUENCH-02) and 1.3 cm/s (QUENCH-03). During the flooding phase the electrical power was reduced to 4 kW to simulate the decay heat level.

The onset of cooling of the rod claddings occurred within one second for all axial positions. The quench temperatures that were determined on the basis of the cladding temperatures of Test QUENCH-03 were between 677 K at the -250 mm and 846 K at the 650 mm elevation. (Due to a failure in the data acquisition during the QUENCH-02 experiment only a limited number of data were obtained in this test). An evaluation of the quench rates in Test QUENCH-03 resulted in 0.2  -2.5 cm/s for the cladding, 0.2 – 2.0 cm/s for the shroud, and 1.4 cm/s based on the thermocouple signals installed inside the corner rods.

The total amount of hydrogen released during the QUENCH-02 and QUENCH-03 experiments was 190 g and 123 g, respectively.

The posttest appearance of both test bundles reveals melt formation and relocation as well as severe oxidation and embrittlement (fragmentation) of the rod claddings and shroud in the upper part. Above the axial midplane the shroud formed a kind of bubble where a blockage zone with solidified melt had formed and where debris had accumulated.

For both tests pretest calculations were performed with the SCDAP/RELAP5 computer code to determine important parameters which must be known to run the test properly. Posttest calculations were performed with the correct initial and boundary conditions. Temperature histories and hydrogen production are in good agreement with experimental data up to the beginning of the temperature excursion. The temperature excursion is calculated to occur somewhat later than in the experiment and to begin at the upper end of the heated zone.

Experimentelle und analytische Ergebnisse der Versuche QUENCH-02 und QUENCH-03

Zusammenfassung
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 bestückt und hat eine Gesamtlänge von ca. 2,50 m. 20 Brennstabsimulatoren sind auf einer Länge von 1024 mm beheizt, der Zentralstab ist unbeheizt. Als Heizer werden Wolfram-Stäbe von 6 mm Durchmesser verwendet, die im Zentrum der Brennstabsimulatoren angeordnet und von ZrO2-Ringtabletten umgeben sind. Die Stabhüllen sind identisch mit LWR-Hüllrohren: Zircaloy-4, 10,75 mm Außendurchmesser und 0,725 mm Wanddicke. Testbündel und Shroud sind mit Thermoelementen instrumentiert. Sie sind auf 17 Messebenen im Abstand von 100 mm angeordnet. 

Während der Aufheizphase oder Transiente wird überhitzter Dampf zusammen mit Argon als Trägergas am unteren Ende in die Teststrecke eingespeist 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 (Wärmeleitfähigkeits-Meßsystem).

In diesem Bericht sind die Ergebnisse der Experimente QUENCH-02 und QUENCH-03, die am 7. Juli 1998 und am 20. Januar 1999 in der QUENCH-Versuchsanlage des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt wurden, beschrieben. Ziel der Versuche QUENCH-02 und QUENCH-03 war die Untersuchung des Verhaltens von nicht oder leicht voroxidierten LWR-Brennstäben während der Flutung eines Brennstabbündels mit Notkühlwasser. Diese Experimente dienen als Referenzversuche für die Tests mit voroxidierten Stäben. 

Beide Experimente liefen mit folgenden Versuchsphasen ab: einer Anfahr- oder Aufheizphase, um das Gesamtsystem bei ca. 900 K Bündeltemperatur ins thermische Gleichgewicht zu bringen, einer transienten (Aufheiz)-Phase und einer Abschreck- bzw. Quench-Phase. In der transienten Phase wurden die Bündel mit einer Aufheizrate von ca. 0.4 K/s im Temperaturbereich von 900 bis 1400 K hochgeheizt. Ab 1400 K bis zum Beginn der Temperatureskalationen betrug die Aufheizrate 1,6 K/s (QUENCH-02) bzw. 1 K/s (QUENCH-03). Während der Temperatureskalationen wurden maximale Bündeltemperaturen von 2500 K gemessen.

Die Quench-Phase wurde mit dem Abschalten der Argon/Dampf-Zufuhr, dem Auffüllen des unteren Bündel-Plenums mit einem erhöhten Quench-Wasserstrom (90 g/s) und der gleichzeitigen Argon-Einspeisung in den Bündelkopf vorbereitet. 30 Sekunden nach dieser Aktion begann das Fluten der Teststrecke von unten mit einer Wassereinspeiserate von 47 g/s (QUENCH-02) bzw. 40 g/s (QUENCH-03), entsprechend einer Einspeiserate von 1,6 bzw. 1,3 cm/s. Als die Abschreckfront die Bündelmitte erreicht hatte wurde die Büdelleistung innerhalb von 15 s vom hohen Niveau auf Nachwärmeniveau von 4 kW reduziert.

Die Quench-Temperaturen, die für Hüllrohre des Versuchs QUENCH-03 ermittelt wurden, lagen zwischen 680 K am unteren Bündelende und 850 K etwas oberhalb Bündelmitte. (Wegen fehlerhafter Datenaufzeichnung während des Experiments QUENCH-02 steht für die Auswertung dieses Versuchs nur eine beschränkte Datenmenge zur Verfügung). Die Auswertung der sog. Quenchraten, bzw. Abschreckgeschwindigkeiten, für den Versuch QUENCH-03 ergab folgende Werte: 0,2-2,5 cm/s für die Hüllrohren, 0,2-2,5 cm/s für das Shroud. Die Quenchrate, die auf der Grundlage der in den Eckstäben installierten Thermoelemente ermittelt wurde, liegt bei ca. 1,4 cm/s.

Die Gesamtmenge an Wasserstoff, die während der Versuche QUENCH-02 und QUENCH-03 freigesetzt wurde, wurde zu 190 bzw. 123 g ermittelt.

Das Versuchsbündel zeigt nach dem Experiment Schmelzebildung und –verlagerung sowie eine starke Oxidation und Versprödung (Fragmentierung) von Shroud und Stabhüllen im oberen Bündelbereich. Oberhalb der axialen Mitte wurde der Shroud zu einer Art Blase geformt, in dessen Bereich sich eine Blockadezone aus erstarrter Schmelze mit einer Anhäufung von Bruchstücken gebildet hat.

Für beide Experimente wurden Vorausrechnungen mit dem SCDAP/RELAP5¬Rechenprogramm durchgeführt, um diejenigen Parameter zu bestimmen, die für die Testdurchführung von Bedeutung sind. Für die Nachrechnungen wurden die gemessenen Anfangs- und Randbedingungen verwendet. Die Temperatur-Zeit-Verläufe und die analytischen Ergebnisse hinsichtlich der Wasserstofferzeugung sind bis zum Beginn der Temperatureskalation in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. In den Rechnungen eskaliert die Temperatur etwas später als im Experiment und beginnt am oberen Ende der Heizzone.

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