Temporary melt retention in the reactor pit of the European pressurized water reactor (EPR)

Abstract

The EPR is provided with a core catcher to preserve the integrity of the containment also in case of a postulated severe accident with core melting. The principal conceptual idea behind the core catcher is to spread the melt on a large area located lateral to the reactor pit and to cool it at both, the melt upper and lower surface. A key element with respect to achieving a coolable melt configuration in the spreading area is the temporary melt retention in the reactor pit. This measure aims to decouple the long-term stabilisation from in-vessel processes, RPV failure mode and corresponding melt discharge as well as associated uncertainties. Its specific objectives are (i) to accumulate the melt in cases of sequential melt releases and (ii) to unify and to condition the spectrum of in-vessel melt characteristics at the time of and for spreading. The temporary melt retention is achieved by layers of sacrificial concrete attached to the sidewalls of the pit and placed on top of the melt gate, through which the melt must erode. Temporary melt retention terminates after the melt contacts and opens the melt gate, which blocks the access to the spreading area. The principal objective of this work is to provide evidence that the goals of the temporary melt retention can be adequately fulfilled. Given this focus, the MCCI programme COSACO is developed to analyse the interactions between the core melt and sacrificial concrete. The innovative phenomenological approach underlying to COSACO constitutes a coherent description of the mutual dependency between thermal hydraulics and thermochemical phenomena. Modelling of these phenomena employs real solution thermochemistry. The validation of the program against representative experiments proofs the suitability of the new approach on the basis of adequately reproducing the principal experimental data. Notably, the agreement was obtained without employing additional parameters adjustable to experiments. The analysis of the temporary melt retention exploits the inherent characteristic of the MCCI pool to establish a coupled system with the bottom structures of the RPV due to exchange of radiant heat. In parallel, the effect of different initial amounts of melt involved in the initial melt pour as well as of the decay heat level is parametrically investigated. The analyses has identified that the ablation front progression is inherently self-regulating, as it adapts to the amount of released melt and to the actual decay heat level. Given these characteristics, it is demonstrated that an effective accumulation of the melting core in the pit is achieved independent of the scenario. The refractory layer backing the walls of sacrificial concrete and the fixed position of the melt gate constitute a geometrical constraint for melt front progression in sideward and downward direction. This constraint restricts the ablatable amount of concrete as well as the surface/volume ratio of the melt. Thanks to this characteristic, the terminal spectrum of melt compositions and melt states is predicted to be highly unified. At the same time, these states exhibit properties which are well-suited for melt spreading.

Der EPR verfügt über ein Kernschmelzerückhaltesystem zur Gewährleistung der Integrität des Sicherheitsbehälters im Falle eines Kernschmelzunfalls. Das Funktionsprinzip beruht auf einer großflächigen Ausbreitung und beidseitigen Kühlung der Schmelze auf einer seitlich zur Reaktorgrube angeordneten Fläche. Ein wesentlicher Aspekt zur Erreichung einer kühlbaren Schmelzekonfiguration stellt die zeitlich befristete Rückhaltung der Schmelze in der Reaktorgrube dar. Mit Hilfe dieser Maßnahme soll eine Entkopplung der langfristigen Schmelzestabilisierung von den innerhalb des Reaktordruckbehälters ablaufenden Prozessen einschließlich der Freisetzungscharakteristik der Schmelze sowie den damit verbundenen Unsicherheiten erreicht werden. Die spezifischen Ziele der zeitweiligen Rückhaltung umfassen (i) die Sammlung der sequentiell aus dem Reaktordruckbehälter austretenden Schmelze sowie (ii) die Vereinheitlichung und Konditionierung der Schmelzenzustände im Hinblick auf den Ausbreitvorgang. Die Rückhaltung wird durch auf die Seitenwände der Grube sowie das Schmelztor aufgebrachte Schichten aus Opferbeton erreicht, durch die die Schmelze erodiert. Sie ist beendet, wenn die Schmelze das den Zugang zum Ausbreitraum versperrende Schmelztor kontaktiert und öffnet. Die Aufgabe dieser Arbeit ist die Nachweisführung der mit der zeitweiligen Rückhaltung verbundenen Ziele. Zu diesem Zweck wurde das Rechenprogramm COSACO zur Simulation der Wechselwirkung zwischen Kernschmelze und Opferbeton entwickelt. Der dem Programm zugrunde liegende innovative Modellierungsansatz beruht auf der Beschreibung der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen thermochemischen Phänomenen sowie der Thermohydraulik des Schmelzesees. Die Modellierung der thermochemischen Aspekte berücksichtigt Eigenschaften realer Lösungen. Die Validierung von COSACO anhand repräsentativer Experimente zeigt gute Ergebnisse und belegt damit die Eignung des innovativen Ansatzes. Dabei ist anzumerken, dass dieses Resultat ohne die Einführung zusätzlicher, an experimentelle Ergebnisse anpassbare Parameter erzielt wurde. Die Nachweisführung basiert auf einer parametrischen Untersuchung des Einflusses der anfänglich in der Reaktorgrube vorhandenen Schmelzemasse sowie der Nachwärmeleistung. Daneben wird eine wichtige Eigenschaft der zeitweiligen Schmelzenrückhaltung ausgenutzt, nämlich die Bildung eines kohärenten Systems zwischen der Schmelze in der Reaktorgrube und den unteren Strukturen des Reaktordruckbehälters aufgrund von Wärmestrahlung. Es zeigt sich, dass sich die Erosionsgeschwindigkeit selbstregelnd an die Schmelzemenge und die Nachwärmeleistung anpasst. Gemeinsam mit der Ausbildung des kohärenten Systems führt diese Charakteristik dazu, dass das Kernschmelzinventar unabhängig vom Szenario in der Reaktorgrube gesammelt wird. Hinter dem Opferbeton vorgesehene Schutzschichten sowie das Schmelztor begrenzen die Betonerosion in lateraler Richtung bzw. nach unten und damit die Masse erodierbaren Betons sowie das Oberflächen/Volumen-Verhältnis der Schmelze. Dadurch stellen sich eine Vereinheitlichung der Zusammensetzungen sowie für den Ausbreitvorgang günstige Eigenschaften der Schmelze ein.