Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7307

Results of the QUENCH-12 Experiment on Reflood of a VVER-type Bundle

J. Stuckert, A. Goryachev, M. Große, M. Heck, I. Ivanova , G. Schanz, L. Sepold, U. Stegmaier, M. Steinbrück

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. The QUENCH test bundle with a total length of approximately 2.5 m usually consists of 21 fuel rod simulators of Western PWR (Pressurized Water Reactor) geometry. The QUENCH-12 test bundle, however, which was set up to investigate the effects of VVER materials and bundle geometry (hexagonal lattice) on core reflood consisted of 31 fuel rod simulators. 18 rods of which were electrically heated using tungsten heaters in the rod center. All claddings, corner rods and grid spacers were made of Zr1%Nb (E110) and the shroud of Zr2.5%Nb (E125). For comparison, the QUENCH-06 test (ISP-45) with Western PWR geometry (square lattice) was chosen as reference.

QUENCH-12 conducted at the Forschungszentrum Karlsruhe (FZK, Karlsruhe Research Center) on 27 September, 2006 in the frame of the EC-supported ISTC program 1648.2 was proposed by FZK together with RIAR Dimitrovgrad and IBRAE Moscow (Russia), and supported by pretest calculations performed by PSI (Switzerland) and the Kurchatov Institute Moscow (Russia) together with IRSN Cadarache (France). It had been preceded by a low-temperature (maximum 1073 K) pretest on 25 August, 2006 to characterize the bundle thermal hydraulic performance and to provide data to assess the code models used for pretest calculational support.

After a stabilization period at 873 K pre-oxidation took place at ~1470 K for ~3400 s to achieve a maximum oxide thickness of about 200 μm. A transient phase followed with a temperature rise to ~2050 K. Then quenching of the bundle by a water flow of 48 g/s was initiated cooling the bundle to ambient temperature in ~5 min.

Following reflood initiation, a moderate temperature excursion of ~50 K was observed, over a longer period than in QUENCH-06. The temperatures at elevations between 850 mm and 1050 mm exceeded the melting temperature of β-Zr, i.e. 2130 K.

The total hydrogen production in QUENCH-12 was 58 g (QUENCH-06: 36 g). During reflood 24 g of hydrogen were released (QUENCH-06: 4 g). Additionally to the hydrogen produced by the strong oxidation of zirconium during temperature escalation and at the beginning of the reflood phase, respectively, a large amount of hydrogen previously absorbed in the metal is assumed to be released at that time.

Three corner rods were withdrawn during the experiment, one at the end of preoxidation, a second one during the transient phase and a third one after the test. All corner rods showed breakaway oxidation effects, i.e. strong spalling of oxide scales. In addition to the corner rods, the surfaces of the rod simulators and shroud show intensive breakaway oxidation although the breakaway is more pronounced at the surfaces of the corner rods. Possible reasons for the differences could be different mechanical properties of tube and massive rod and other surface preparation of cladding and corner rods.

Breakaway oxidation together with local melt formation and subsequent melt oxidation as well as a longer exposure time at temperature in QUENCH-12 compared to QUENCH-06 is considered as reason for a higher hydrogen generation compared to the QUENCH-06 experiment.

Ergebnisse des Experiments QUENCH-12

Zusammenfassung
Die Quench-Experimente untersuchen den Wasserstoffquellterm bei der Einspeisung von Notkühlwasser in einen trockenen, überhitzten Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors. Das QUENCH-Versuchsbündel mit einer Gesamtlänge von etwa 2,5 m besteht üblicherweise aus 21 Brennstabsimulatoren im quadratischen Gitter, die der DWR-Geometrie westlicher Bauart entsprechen. Mit dem QUENCH-12-Versuch sollte jedoch der Einfluss von VVER-Materialien und -Bündelgeometrie auf das Fluten des Reaktorkerns untersucht werden. Das QUENCH- 12-Versuchsbündel bestand daher aus 31 Brennstabsimulatoren im hexagonalen Gitter, von denen 18 beheizt waren (mittels Wolfram-Heizern, die sich im Zentrum der Stäbe befinden). Alle Brennstabhüllen, Eckstäbe und Abstandshalter waren aus Zr1%Nb (E110) und das Dampfführungsrohr (Shroud) aus Zr2.5%Nb (E125) gefertigt. Als Referenzversuch für den Vergleich mit der Bündel-Geometrie eines westlichen Druckwasserreaktors (DWR) wurde das QUENCH-06-Experiment (ISP-45) ausgewählt.

QUENCH-12 wurde am 27. September 2006 im Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) im Rahmen des von der EU unterstützten ISTC-Programms 1648.2 durchgeführt. Der Versuch ist von FZK in Abstimmung mit RIAR Dimitrovgrad und IBRAE Moskau (beide Russland) vorgeschlagen und mittels Vorausrechnungen durch das Paul-Scherrer-Institut (PSI, Schweiz) und das Kurchatov-Institut Moskau (Russland) sowie IRSN Cadarache (Frankreich) unterstützt worden. Dem Hauptexperiment war am 25. August 2006 ein Vorversuch (bis zu einer Maximaltemperatur von 1073 K) vorausgegangen, um das thermohydraulische Bündelverhalten zu ermitteln. Mit dem Ergebnis des Vorversuchs sollten die Eingabedaten für die Rechenprogramme und damit die Vorausrechnungen verbessert werden.

Nach der Stabilisierung der Versuchsanlage bei 873 K wurde die Voroxidation bei ~1470 K für eine Zeitspanne von ~3400 s durchgeführt, um die angestrebte maximale Oxidschichtdicke von etwa 200 μm zu erhalten. Auf die Voroxidation folgte die transiente Phase mit einem Temperaturanstieg bis ~2050 K. Dann wurde das Abschrecken des Versuchsbündels mit einem Wasserfluss von 48 g/s eingeleitet, wodurch nach ~5 min wieder Umgebungstemperatur erreicht war.

Das Fluten mit Wasser hatte eine moderate Temperatureskalation von ~50 K zu Folge, die etwas länger dauerte als im Versuch QUENCH-06. Die Temperaturen in den Bündelhöhen 850 mm bis 1050 mm überstiegen die Schmelztemperatur des β-Zr, d. h. 2130 K.

Während des Versuchs wurde eine Wasserstoffmenge von insgesamt 58 g erzeugt (QUENCH-06: 36 g). Davon wurden 24 g während des Flutens freigesetzt (QUENCH-06:4 g). Zusätzlich zum Wasserstoff, der durch die starke Oxidation des Zirkoniums während der Temperatureskalation bzw. zum Beginn der Flutphase erzeugt wurde, wurde höchstwahrscheinlich eine größere Menge des in der Hülle absorbierten Wasserstoffs freigesetzt.

Drei Eckstäbe wurden aus dem Bündel gezogen: ein erster zum Ende der Voroxidation, ein zweiter während der transienten Phase und ein dritter nach dem Versuch. Alle Eckstäbe zeigen Effekte der sog. Breakaway-Oxidation, d. h. starkes Abplatzen der Oxidschichten. Deutliche Spuren der Breakaway-Oxidation zeigten sich darüber hinaus an allen Oberflächen der Hüllrohre und des Shrouds, wenngleich die Breakaway-Oxidation an den Oberflächen der Eckstäbe ausgeprägter waren. Mögliche Gründe für diese Unterschiede könnten in den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von Rohr und massivem Stab sowie in unterschiedlicher Oberflächengüte von Brennstabhülle und Eckstab liegen.

Breakaway-Oxidation in Verbindung mit lokaler Schmelzebildung und -oxidation sowie die etwas längere Verweildauer des QUENCH-12-Bündels auf höherer Temperatur werden als Grund für die gegenüber dem QUENCH-06-Experiment erhöhte Wasserstofferzeugung angesehen.

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