Experimentelle Untersuchungen zur Kühlbarkeit volumetrisch beheizter Schüttbetten

Abstract

Im Rahmen von sicherheitstechnischen Untersuchungen zur Kühlbarkeit von verlagertem Corium bei schweren Störfallen in Atomkraftwerken wurden Einzeleffekt-Experimente an induktiv beheizten, zylinderförmigen Teststrecken (ø125 mm x 640 mm) aus monodispersen Schüttbetten mit Edelstahlkugeln von 3 mm bzw. 6 mm Durchmesser durchgeführt. Die Experimente dienen zur Validierung und Modifizierung numerischer Modelle. Die Versuchsreihen umfassen Siedeversuche (Messung von Druckgradienten im Schüttbett), Dryoutversuche (Bestimmung des maximal abführbaren Wärmestroms aus der Schüttung) und Quenchversuche (Abschreckverhalten der stark überhitzten Schüttung).

Die Ergebnisse der Siedeversuche zeigen, dass numerische Modelle basierend auf der auf zwei Phasen erweiterten Ergun-Gleichung ohne explizite Berücksichtigung der Interphasenreibung den Druckverlauf in der Schüttung nicht korrekt wiedergeben. Modelle dagegen, die die Interphasenreibung explizit berücksichtigen, zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit dem im Experiment gemessenen Druckverlauf. Der Druckverlauf ist für das Schüttbett aus 6 mm Kugeln gut wiedergegeben; die Berechnungen für das Schüttbett aus 3 mm Kugeln zeigen größere Abweichungen zum experimentellen Befund. Die Berücksichtigung der Interphasenreibung in Modulen für Systemcodes wie z.B. WABE-2D hat erhebliche Auswirkungen auf das Strömungs- und Druckfeld des Kühlwassers. Bei axialsymmetrischen Berechnungen, die die Geometrie des Reaktordruckbehälters berücksichtigen, kann die explizite Berücksichtung der Interphasenreibung unter Umständen eine verstärkte Wasserzufuhr in die Schüttung und damit eine verbesserte Kühlung derselben implizieren.

In den Dryoutversuchen wurde die Dryoutwärmestromdichte für das Schüttbett aus 6 mm Kugeln zu 1330 kW/m2 und für das Schüttbett aus 3 mm Kugeln zu 813 kW/m2 bestimmt.

Die Experimente zum Abschreckverhalten einer stark überhitzten Schüttung aus 6 mm Kugeln zeigen bei Wasserzuführung von oben ein stark mehrdimensionales Verhalten. Der aus der Schüttung abgeführte Wärmestrom liegt in der Größenordnung des Dryoutwärmestroms. Bei Wasserzuführung von unten zeigt der Quenchfrontverlauf ein eindimensionales Verhalten. Die Zuführung von Wasser von unten führt bei hohen Schüttbetttemperaturen zu heftigen Eruptionen mit Kugelauswurf aus dem Schüttbett.

Within the frame of nuclear safety research, single effect experiments were performed on the coolability of relocated core material during a severe accident in a nuclear power plant employing inductively heated cylindrical test sections (ø125 mm x 640 mm) with monodisperse particle beds consisting of stainless steel balls of 3 mm resp. 6 mm diameter. The aim of the experiments is to provide data for the validation and modification of numerical models. The experiments comprise boiling experiments (measurement of the pressure gradients in the boiling particle bed), dryout experiments (determination of the maximum heat flux which can be removed from the particle bed) and quenching experiments (cool down behavior of strongly superheated particle beds).

The boiling experiments show that numerical models based on the extended Ergun-equation for two-phase flow without the explicit consideration of the interfacial drag cannot predict the pressure distribution inside a boiling particle bed. Only models with explicit consideration of the interfacial drag show a qualitative agreement with the experimental data. These models show good agreement for the particle bed consisting of 6 mm spheres; for the particle bed with 3 mm spheres greater deviations are observed. The explicit consideration of the interfacial drag in modules for system codes like WABE-2D has significant effects on the pressure and flow field of the coolant. In axial-symmetric calculations, which take into account the geometry of the reactor pressure vessel, the explicit consideration of the interfacial drag can result in an increased water flow into the particle bed and therefore in an improved coolability.

In the dryout experiments the dryout heat flux was determined to be 1330 kW/m2 for the particle bed consisting of spheres of 6 mm diameter resp. 813 kW/m2 for the particle bed with 3 mm spheres.

The experiments performed on the cool down behavior of a strongly superheated particle bed consisting of 6 mm spheres show a highly multi-dimensional behavior if the coolant is supplied from the top of the bed. In these experiments the heat flux removed from of the bed is of the same magnitude as that determined in the dryout experiments. If the water is supplied from the bottom the quench front shows a one- dimensional behavior. If the bed is strongly superheated, the water supply from the bottom can lead to strong eruptions where spheres are thrown out of the bed.