Untersuchung der Kühlbarkeitsgrenzen von Schüttungen im Post-Dryout Siedebereich sowie beim Fluten in Anwesenheit nicht-kondensierbarer Gase zur Validierung von COCOMO-3D

Abstract

Im Fall eines auslegungsüberschreitenden Reaktorstörfalls mit Auftreten von Kernschmelze kann sich durch die Interaktion mit vorhandenem Kühlwasser ein Wärme freisetzendes Partikelschüttbett im Reaktordruckbehälter ausbilden. Bei anhaltender unzureichender Wärmeabfuhr kann es zum Austrocknen und durch Wiederaufschmelzen des Schüttbetts und Versagen des Reaktordruckbehälters zu einer Schmelzeverlagerung in das Containment kommen. Bei zuvor gefluteter Reaktorgrube kann es aufgrund der Temperaturbelastung zu einem Abtrag des Betons und somit zur Freisetzung von nicht-kondensierbaren Gasen kommen, welche zudem die Kühlung des Schüttbetts erschweren. Für diese Störfallszenarien stellt sich die zentrale sicherheitstechnische Frage der Schüttbettkühlbarkeit, d. h. kann die Nachzerfallswärme aus der Schüttung abgeführt werden, um eine weitere Störfallexkursion zu verhindern oder zumindest abzuschwächen. Um die experimentelle Datengrundlage für die Validierung des Simulationscodes COCOMO-3D für den Post-Dryout-Bereich sowie für das Fluten unter Anwesenheit nicht-kondensierbarer Gase zu erweitern, wurden im Rahmen dieser Arbeit spezifische Experimente an prototypischen Partikelschüttbetten mit einer neu aufgebauten Versuchsanlage FLOAT sowie an der modifizierten DEBRIS-Versuchsanlage durchgeführt. Abschließend erfolgen Validierungsrechnungen mit dem Simulationscode COCOMO-3D unter Anwendung der erweiterten experimentellen Datengrundlage. In Post-Dryout-Experimenten wurden lokale Temperaturexkursionen an einem Schüttbett aus 1 mm Stahlkugeln mit nicht-perforiertem ringförmigen PTFE-Zylinder mit Nachspeisung von Kühlwasser am Schüttbettboden und im Wasserpool bei Systemdrücken bis zu 0.3 MPa untersucht und die Dryoutwärmestromdichte bestimmt. Im Post-Dryout Siedebereich konnten im Rahmen dieser Arbeit lokale Temperaturexkursionen beobachtet werden, die bei konstanter Wärmestromdichte zum Erliegen kamen und sich über lange Zeit in einem quasi-stationären plateauartigen Zustand befanden. Dieses Verhalten konnte für alle untersuchten Systemdrücke bis zu 0.3 MPa mit Kühlwassernachspeisung am Schüttbettboden beobachtet werden. In Top-Flooding Flutversuchen an der FLOAT-Versuchsanlage wurde der Einfluss nicht-kondensierbarer Gase auf die Kühlbarkeit eines Schüttbetts, bestehend aus 6 mm Edelstahlkugeln, durch eine zusätzliche Lufteinspeisung am Schüttbettboden untersucht. Zudem wurde der Einfluss einer kontinuierlichen Beheizung während des Flutens experimentell untersucht. Für alle untersuchten initialen Schüttbetttemperaturen bis zu 700 °C führte eine zusätzliche Lufteinspeisung mit bis zu 0.18 kg/min zu einer deutlichen Verlängerung der Gesamtquenchzeit. Die Verlängerung der Quenchzeit nimmt bei höherem initialen Schüttbetttemperaturniveau sowie durch zusätzliche Gaseinspeisung zu. Für eine zusätzliche spezifische Heizleistung während des Flutvorgangs von bis zu 107 W/kg des Schüttbetts kann kein nennenswerter Einfluss auf die Gesamtquenchzeit des Schüttbetts festgestellt werden. Die COCOMO Simulationen wurden mit einem zweidimensionalen und rotationssymmetrischen Integrationsbereich durchgeführt und mittels einer Gittersensitivitätsanalyse eine Netzabhängigkeit ausgeschlossen. Die simulativ berechneten Dryoutwärmestromdichten sind generell kleiner als die experimentell gemessenen Werte. Die Simulationen des Post-Dryout Verhaltens konnten das plateauartige Verhalten lokaler Temperaturexkursionen bei konstant gehaltener Wärmestromdichte mit qualitativ sowie quantitativ guter Übereinstimmung (Position und maximaler Temperatur des Dryoutgebiets) zu den experimentellen Daten modellieren. Die Ausbildung eines Vorzugspfads im wandnahen Bereich, welcher häufig in den Flutexperimenten vorlag, konnte mit den COCOMO Simulationen abgebildet werden. Generell liefern die Simulationen für die Flutversuche ohne Gaseinspeisung eine akzeptable bis sehr gute Übereinstimmung der Gesamtquenchzeit der experimentellen Daten. Für die Flutversuche mit nicht-kondensierbarer Gaseinspeisung liefern die Simulationen generell zu kurze Quenchzeiten im Vergleich zu den experimentellen Daten. Um die experimentell auftretenden dreidimensionalen Strömungseffekte der Flutversuche hinreichend in Simulationen zu berücksichtigen, müssen dreidimensionale Simulationen durchgeführt werden.