Coolability of corium debris under severe accident conditions in light water reactors

Abstract

The debris bed which may be formed in different stages of a severe accident will be hot and heated by decay heat from the radioactive fission products. In order to establish a steady state of long-term cooling, this hot debris needs to be quenched at first. If quenching by water ingression into the dry bed is not rapid enough then heat-up by decay heat in still dry regions may again yield melting. Thus, chances of coolability must be investigated considering quenching against heat-up due to decay heat, in the context of reactor safety research. As a basis of the present investigations, models for simulation of two phase flow through porous medium were already available in the MEWA code, being under development at IKE. The objective of this thesis is to apply the code in essential phases of severe accidents and to investigate the chances, options and measures for coolability. Further, within the tasks, improvements to remove weaknesses in modeling and implementation of extensions concerning missing parts are included.

It was identified previously that classical models without explicit considering the interfacial friction, can predict dryout heat flux (DHF) well under top fed condition but under-predict DHF values under bottom flooding conditions. Tung & Dhir introduced an interfacial friction term in their model, but this model has deficits for smaller particles considered as relevant for reactor conditions. Therefore, some modification of Tung & Dhir model is proposed in the present work to extent it for smaller particles. A significant improvement with the new friction description (Modified Tung & Dhir, MTD) is obtained considering the aim of a unified description for both top and bottom flooding conditions and for broad bandwidth of bed conditions.

Calculations for reactor conditions are carried out in order to explore whether or to which degree coolability can be concluded, how strong the trend to coolability is and where major limits occur. The general result from the various calculations in this work is that there exist significant cooling margins and strong trends to coolability which is achieved due to multidimensional cooling options, especially lateral and bottom ingression of water, established in the core region through an intact rod or bypass region, in the lower head through the wall and in the cavity due to the shape (heap) of the bed. These cooling options together with cooling effects of steam flow through a hot dry zone provide mechanisms to facilitate and support quenching processes. Limits also have been obtained, mainly with significant piling up of particles, cake parts with very low porosities and bed with very small particles.

The initial temperature distribution inside the bed has a major influence on the coolability behavior of the bed, no matter if the bed is located in the lower head or in the flooded cavity. Previously, quenching calculations were only possible for given debris configurations starting from assumed initial temperatures. However, assuming the whole bed at a uniform initial temperature strongly misses the real process in which settling of partly solidified melt drops occurs simultaneously with water inflow and quenching. Therefore, in the frame of this work, the MEWA models have been extended i.e. coupled to jet breakup and mixing model (JEMI) to treat the combined process. This improved the capabilities of realistic analysis significantly and showed significant effects on cooling in the calculations. Another important step for the improvement of overall modeling of coolability is undertaken by introducing the porosity formation in liquid melt layers through the supply of water from the bottom (COMET concept) in the MEWA model. The related modeling is implemented for situations where liquid melt arrives un-fragmented at the cavity floor due to incomplete breakup of melt.

Im Verlauf eines schweren Reaktor-Unfalls kann es dazu kommen, dass der Reaktorkern sich bei unzureichender Kühlung aufgrund der freigesetzten Nachzerfallswärme weiter aufheizt und schmilzt. Während verschiedener Stadien eines solchen Unfallablaufs können sich Schüttbetten bilden. Eine auf diese Weise gebildete Schüttung ist zunächst trocken und heiß und setzt durch den Nachzerfall der darin enthaltenen radioaktiven Spaltprodukte weiterhin Wärme frei. Um eine stetige und langfristige Kühlung zu erreichen, muss das heiße und trockene Schüttbett zunächst abgeschreckt, d.h. mit Wasser geflutet und abgekühlt werden. Falls das Eindringen von Wasser in das Bett zu langsam erfolgt, werden trockene Regionen innerhalb des Betts aufgrund der Nachzerfallswärme sich soweit aufheizen, dass sie wieder schmelzen. Durch die hierbei erfolgende Kompaktierung ist in der Folge die Kühlbarkeit in Frage gestellt. Im Kontext der Reaktorsicherheitsforschung muss deshalb die Frage nach einer möglichen Kühlbarkeit hinsichtlich der konkurrierenden Prozesse des Flutens und des Wiederaufheizens untersucht werden. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung dieses Programms auf wesentliche Phasen des Unfallablaufs, um Chancen, Optionen und Maßnahmen zur Kühlbarkeit in Schüttbetten auszuloten. Darüber hinaus wurden innerhalb der Zielsetzung der Arbeit Schwachstellen in der Modellierung beseitigt und Verbesserungen und Erweiterungen bezüglich fehlender Modellteile implementiert.

In früheren Arbeiten wurde schon festgestellt, dass klassische Modelle zum Druckverlust in porösen Medien ohne die explizite Berücksichtigung der Reibung zwischen Wasser und Dampf (Interphasenreibung) nicht ausreichen. Tung und Dhir führten einen Interphasenreibungsterm in ihrem Modell ein, allerdings wies dieses Modell ein Defizit bei kleineren, unter Reaktorbedingungen als relevant betrachteten Partikelgrößen auf. Deshalb werden in dieser Arbeit einige Änderungen des Tung & Dhir Modells für kleinere Partikel vorgeschlagen. Mit der neuen Reibungsbeschreibung wurde eine bedeutende Verbesserung erzielt hinsichtlich des Ziels einer einheitlichen Reibungs-Modellierung bei von oben und unten gefluteten Schüttbetten.

Rechnungen zu Reaktorbedingungen wurden durchgeführt um die Möglichkeiten des MEWA-Rechenprogramms als Werkzeug zur Untersuchung der Kühlbarkeit während verschiedener Phasen eines schweren Störfalls im Allgemeinen bewerten zu können und um zu sondieren, ob und bis zu welchem Grad von Kühlbarkeit ausgegangen werden kann, wie stark der Trend zur Kühlbarkeit ist und wo die Limitierungen liegen. Ein allgemeines Ergebnis dieser Variationsrechnungen ist die Existenz bedeutender Spielräume und starker Trends zur Kühlbarkeit, die durch multidimensionale Kühlungsoptionen erreicht werden können. Dazu zählen speziell lateral und von unten zugeführtes Wasser, was im Kernbereich durch intakte Stab- oder Bypass-Regionen etabliert werden kann, im unteren Plenum durch die Wand und in der Reaktorgrube aufgrund der Form des Schüttbetts (Haufen). Diese Prozesse fördern die Kühlbarkeit zusammen mit der Möglichkeit des Dampfes, Wärme aus einer heißen und trockenen Zone abzuführen und stellen auf diesem Wege Mechanismen zur Verbesserung und Unterstützung des Abkühlprozesses zur Verfügung. Begrenzungen der Kühlbarkeit bestehen in der Anhäufung der Partikel über eine bestimmte Höhe, in verbackenen Anteilen mit sehr niedrigen Porositäten und in Schüttbetten mit sehr kleinen Partikeln.

Die anfängliche Temperaturverteilung innerhalb des Schüttbetts hat einen entscheidenden Einfluß auf das Bettverhalten, egal ob sich das Bett im unteren Plenum oder in der mit Wasser gefüllten Grube unter dem Reaktor befindet. Bisher wurden Rechnungen zum Fluten nur für eine vorgegebene Schüttbettkonfiguration mit einer angenommenen, initialen Temperaturverteilung durchgeführt, die aus den mittleren Temperaturwerten der sich absetzenden Partikel abgeleitet wurde. Unter der Annahme einer einheitlichen initialen Temperaturverteilung im Bett werden jedoch die realen Prozesse des gleichzeitigen Absetzens der heißen Partikel auf der Schüttbettoberfläche und des Abschreckens nicht berücksichtigt. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine einfache Kopplung zwischen MEWA und dem ebenfalls am IKE entwickelten Rechenprogramm JEMI zur Modellierung von Strahlfragmentations- und Vermischungsvorgängen erstellt, um Schüttungsaufbau und gleichzeitiges Abschrecken beschreiben zu können. Dadurch wurden die Möglichkeiten einer realistischen Analyse erheblich verbessert und es konnten in den Rechnungen deutliche Einflüsse auf die Kühlbarkeit der so gebildeten Betten aufgezeigt werden. Ein weiterer wichtiger Schritt für die Gesamtmodellierung zur Kühlbarkeit wurde durch die Einführung einer Option unternommen, die Porositätsbildung in flüssigen Schmelzeschichten durch die Einspeisung von Wasser von unten im MEWA-Modell zu beschreiben.